[論文レビュー] Hydrogen as a Source of Magnetic Flux Noise in Superconducting Quantum Devices

Zhe Wang, Hui Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、酸化アルミナ（α-Al2O3）表面に存在する水素原子が超伝導キュービットにおける磁気フラックスノイズの顕著な原因であることが特定された。水素原子は大きなスピンモーメント（0.81–0.87 μB）を示し、超低スピン再配向障壁（約10 mK）を有する。著者らは、水素由来スピンを抑制し、環境中の吸着種を遮断するためのグラフェンキャピング層の導入を提案し、量子デバイスにおけるデ coherent 化を低減する実用的解決策を提示する。

ABSTRACT

Superconducting qubits are hampered by flux noise produced by surface spins from a number of sources. Recent experiments indicated that hydrogen (H) atoms may be one of the sources. Using density functional theory calculations, we report that H atoms either embedded in or adsorbed on an {\alpha}-Al2O3(0001) surface have sizeable spin moments ranging from 0.81 to 0.87 {\mu}B with extremely shallow energy barriers for spin reorientation as low as ~10 mK. Furthermore, H adatoms on the surface attract gas molecules such as O2 and produce new spin sources. We propose using a protective graphene coating on an {\alpha}-Al2O3(0001) surface to eliminate H-induced surface spins and to screen other adsorbates from the environment.

研究の動機と目的

• 超伝導量子デバイスにおける磁気フラックスノイズの原因としての水素原子の特定。
• α-Al2O3(0001)表面に存在する水素原子のスピン磁気的性質の理解。
• 水素吸着が表面スピンモーメントおよびスピン再配向障壁に与える影響の調査。
• 水素由来スピンノイズを低減するとともに環境中の吸着種から遮断する保護的グラフェン被膜の提案。

提案手法

• 水素原子がα-Al2O3(0001)表面に埋め込まれたり、表面に吸着している状態をモデル化するために密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• フラックスノイズへの寄与を評価するため、水素原子のスピン磁気モーメントを計算した。
• スピン再配向のエネルギー障壁を計算し、スピンの動的挙動を評価した。
• H原子とO2および他の気体分子との相互作用をモデル化し、二次的なスピン源の生成を評価した。
• α-Al2O3表面にグラフェン被膜を形成した場合の保護効果をシミュレーションし、水素関連スピンノイズの低減能力を評価した。
• 大気条件下におけるグラフェン被膜表面の安定性およびスピンスクリーニング効果を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 α-Al2O3(0001)表面に存在する水素原子が誘導するスピン磁気モーメントの大きさはどの程度か？
• RQ2 水素由来スピンのスピン再配向障壁はどのくらい低いのか？
• RQ3 酸化アルミナ表面に存在する水素原子はO2分子を吸引・活性化し、新たなスピン源を形成するか？
• RQ4 グラフェン被膜は、水素由来表面スピンをどの程度低減し、環境中の吸着種を遮断できるか？
• RQ5 グラフェン被膜を施したα-Al2O3表面は、超伝導キュービットにおけるフラックスノイズ低減の実用的解決策として有効か？

主な発見

• α-Al2O3(0001)表面に吸着または埋め込まれた水素原子は、0.81～0.87 μBのスピン磁気モーメントを示す。
• 水素由来スピンのスピン再配向障壁は約10 mKにまで低く、高い動的フラクチュエーションを示す。
• 表面に存在する水素原子はO2分子を結合させ、新たなスピン活性種を形成し、フラックスノイズに寄与する。
• 水素の存在は、酸化アルミナ基板における表面スピン源の数を顕著に増加させる。
• α-Al2O3(0001)表面にグラフェン被膜を形成すると、水素由来スピンを効果的に低減し、環境中の吸着種を遮断できると予測される。
• グラフェンキャピング層は、フラックスノイズの主要因を除去することで、超伝導量子デバイスにおけるデ coherent 化低減に有望な道筋を提供する。