[論文レビュー] Microscopic charged fluctuators as a limit to the coherence of disordered superconductor devices

H. le Sueur, Artis Svilans+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 46被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、不規則な超伝導体における根本的なデ coherent メカニズムとして、マイクロスコピックな電荷を帯びた二準位系（TLS）を特定し、BCS基底状態における伝導電子と結合することで、準粒子や渦なしにコherentlyを制限することを示している。このメカニズムは、量子位相スリップ接合における劣悪なコherentlyおよび共振器における低品質因数を説明し、断面積が小さくなるほどデ coherent が増大する。

ABSTRACT

By performing experiments with thin-film resonators of NbSi, we elucidate a decoherence mechanism at work in disordered superconductors. This decoherence is caused by charged Two Level Systems (TLS) which couple to the conduction electrons in the BCS ground state; it does not involve any out-of-equilibrium quasiparticles, vortices, etc. Standard theories of mesoscopic disordered conductors enable making predictions regarding this mechanism, notably that decoherence should increase as the superconductor cross section decreases. Given the omnipresence of charged TLS in solid-state systems, this decoherence mechanism affects, to some degree, all experiments involving disordered superconductors. In particular, we show it easily explains the poor coherence observed in quantum phase slip experiments and may contribute to lowering the quality factors in some disordered superconductor resonators.

研究の動機と目的

• 準粒子や渦を含まない、不規則な超伝導体における新たなデ coherent メカニズムを同定・特徴づけること。
• 実験的に観測された量子位相スリップ接合（QPSJ）における劣悪なコherently および不規則な超伝導体共振器における低品質因数を説明すること。
• 特にNbSi薄膜において、電荷を帯びたTLSがキネティックインダクタンスに基づくデバイスのコherently を制限する役割を調査すること。
• このメカニズムが超伝導体-絶縁体転移（SIT）およびBerezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）転移を調べる実験に与える影響を評価すること。
• 今後の高インピーダンス量子回路において、このデ coherent メカニズムが緩和されたり、設計的に回避可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 本研究では、常温状態でのシート抵抗が約600 ΩであるNb₀.₁₈Si₀.₈₂薄膜（15 nm 厚）を、インヒレントなSi基板上にスパッタリング法で堆積した。
• 半波長のコプラナー・ワイア・プロペーション共振器およびラumped-エレメントLC共振器を用いて、17 mKでのマイクロ波応答を測定した。
• 基本共振周波数（6.687 GHz）からキネティックインダクタンスを抽出し、LK□ = 0.83 nH を得た。
• 測定された品質因数（Qmeas = 1.6×10⁴）は、外部品質因数（Qext = 1.6×10⁵）よりも顕著に低く、外部結合によるものでない内部損失を示している。
• 時間分解型透過測定を用いて、動的電荷フラクチュエーションが共振周波数およびQに与える影響を調査した。
• 理論的モデリングでは、標準的なミクロスコピック不規則導体理論を用い、デ coherent が超伝導体断面積が小さくなるにつれて増大する、すなわちTLS結合が強化されることを予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不規則な超伝導体における量子位相スリップ接合（QPSJ）が、低温かつ準粒子励起が存在しないにもかかわらず、なぜ劣悪なコherently を示すのか？
• RQ2 ミリケルビン温度で散逸的メカニズムが無視できるにもかかわらず、なぜ不規則な超伝導体共振器の品質因数が予想外に低くなるのか？
• RQ3 界面や絶縁体に存在する電荷を帯びた二準位系（TLS）が、キネティックインダクタンスに基づく超伝導体デバイスにおけるデ coherent にどの程度寄与するのか？
• RQ4 特に断面積に依存するTLS誘発デ coherent メカニズムのデバイスジオメトリに依存する度合いはどの程度か？
• RQ5 このTLS誘発デ coherent メカニズムが、超伝導体-絶縁体転移（SIT）や不規則な超伝導体におけるBerezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）転移を調べる実験における異常を説明できるか？

主な発見

• 電荷を帯びた二準位系（TLS）は、BCS基底状態における伝導電子と結合することで、不規則な超伝導体における支配的で、散逸的でないデ coherent 要因であると特定された。
• NbSi共振器における観測された品質因数（Qmeas = 1.6×10⁴）は、外部品質因数（Qext = 1.6×10⁵）よりも顕著に低く、外部結合によるものでない内部デ coherent であることを示している。
• TLS誘発デ coherent メカニズムは、ミクロスコピック不規則導体理論の予測通り、超伝導体断面積が小さくなるにつれて増大する。
• このメカニズムは、明確な散逸的チャネルが存在しないにもかかわらず、量子位相スリップ接合（QPSJ）における劣悪なコherently を説明できる。
• このメカニズムは散逸的ではないが、周波数フラクチュエーションを通じてデ coherent を引き起こすことができ、非平衡準粒子や渦の存在は不要である。
• このTLS誘発デ coherent は、トランスモン設計のような標準的手法では緩和されない。なぜなら、これは電荷自由度ではなくキネティックインダクタンスを変調するためである。