[論文レビュー] Frequency fluctuations of ferromagnetic resonances at milliKelvin temperatures

Tim Wolz, Luke J. McLellan+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 55被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ミリケルビン温度におけるYIG球体における強磁性共鳴（FMR）の周波数揺らぎを、ベクトルネットワークアナライザからの位相ノイズの時系列解析を用いて調査した。FMR周波数ノイズは温度および入力電力に依存せず、パワー則に従わないスペクトル密度が、閉形式の自己回帰（AR）プロセスによって最もよく記述されることを明らかにした。これは、従来の二準位系とは異なる未解明のノイズ源を示しており、既存のモデルに挑戦し、量子スピン力学のためのコherence向上の必要性を浮き彫りにした。

ABSTRACT

Unwanted fluctuations over time, in short, noise, are detrimental to device performance, especially for quantum coherent circuits. Recent efforts have demonstrated routes to utilizing magnon systems for quantum technologies, which are based on interfacing single magnons to superconducting qubits. However, the coupling of several components often introduces additional noise to the system, degrading its coherence. Researching the temporal behavior can help to identify the underlying noise sources, which is a vital step in increasing coherence times and the hybrid device performance. Yet, the frequency noise of the ferromagnetic resonance (FMR) has so far been unexplored. Here, we investigate such FMR frequency fluctuations of a YIG sphere down to mK-temperatures, and find them independent of temperature and drive power. This suggests that the measured frequency noise in YIG is dominated by so far undetermined noise sources, which properties are not consistent with the conventional model of two-level systems, despite their effect on the sample linewidth. Moreover, the functional form of the FMR frequency noise power spectral density (PSD) cannot be described by a simple power law. By employing time-series analysis, we find a closed function for the PSD that fits our observations. Our results underline the necessity of coherence improvements to magnon systems for useful applications in quantum magnonics.

研究の動機と目的

• ミリケルビン温度におけるYIG球体の強磁性共鳴（FMR）の周波数揺らぎを測定・解析すること。
• 特に量子コherent系の文脈において、YIGにおけるFMR周波数ノイズの起源と関数的形態を特定すること。
• 二準位系に基づく従来のノイズモデルが、観測された周波数ノイズを説明できるかどうかを評価すること。
• 温度およびマイクロ波駆動電力がFMR周波数揺らぎに与える影響を評価すること。
• 量子スピン力学系における非定常ノイズを特徴付けるための時系列解析フレームワークを確立すること。

提案手法

• 共振周辺の固定周波数でS21の位相揺らぎを連続波モードのベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用いて時系列で記録した。
• 共振近傍の位相応答の線形勾配を用いて、位相揺らぎを共鳴周波数揺らぎに変換した。
• 自己相関関数（ACF）、偏自己相関関数（PACF）、Yule-Walker方程式を用いた時系列解析手法を適用し、ノイズを自己回帰（AR）プロセスとしてモデル化した。
• データ取得および解析にオープンソースのqkit測定スイートを用い、50 HzおよびHEMTノイズ成分を除去するための後処理を実施した。
• 分散および勾配特性に注目し、室温でのYIGおよびリチウム ferrite（LiFe）の測定結果と比較した。
• サンプリングレートに依存するPACFの依存性を評価し、ARモデルおよびノイズ特徴の妥当性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YIGにおけるFMR周波数ノイズは、ミリケルビン温度下で温度および入力電力に依存するか？
• RQ2 YIGにおけるFMRの周波数ノイズのパワー・スペクトル密度（PSD）は、単純なパワー則で記述できるか、それ以上の複雑なモデルを要するか？
• RQ3 線幅の広がりに寄与する既知の二準位系（TLS）ノイズモデルと比較して、観測された周波数揺らぎは整合的か？
• RQ4 PSDの関数的形態は、その背後にあるノイズ源とどのように関係し、自己回帰（AR）プロセスで捉えられるか？
• RQ5 室温におけるリチウムフェライト（LiFe）と比較して、YIGにおけるFMRノイズ特性はどのように異なるか？

主な発見

• YIGにおけるFMR周波数ノイズは、50 mKまで低下する温度およびマイクロ波駆動電力に依存しない。これは、熱的または励起依存のメカニズムに支配されない主要なノイズ源を示唆している。
• 周波数ノイズのパワー・スペクトル密度（PSD）は、単純なパワー則に従わず、時系列解析から導出された閉形式関数によって最もよく記述される。
• ノイズは2次自己回帰（AR(2)）プロセスとして良好にモデル化され、ラグ1およびラグ2における顕著な偏自己相関が観測され、ノイズダイナミクスに記憶効果が存在することを示している。
• 偏自己相関関数（PACF）はラグ2以降でゼロに低下し、AR(2)モデルの妥当性が確認され、標準モデルでは捉えきれない非マルコフ的ノイズ構造が示唆されている。
• 二準位系（TLS）とは異なる、かつ未だ同定されていないノイズ機構であることが判明した。これは、TLSが線幅の広がりに寄与することは確認されているが、周波数揺らぎの原因とはならないことを示している。
• 低サンプリングレート（<2 Hz）では、PSDはローレンツ型に単純化され、第一階のPACFのみが顕著になる。これは、異なる積分時間下でもARモデルの妥当性が保証されていることを確認している。