[論文レビュー] Probing Environmental Spin Polarization with Superconducting Flux Qubits

T. Lanting, M. H. S. Amin+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、ミリケルビン温度における磁性環境下での環境スピン極化ダイナミクスを、超伝導フラックスキュービットを量子プローブとして用いて調査する。5.7 ± 0.3 mKで相転移が観測され、短時間ではスピン拡散が√t増加を説明するが、長時間の挙動はそれとは逸脱しており、純粋な拡散ではなくスピンクラスターのモーメントの遅いフラクチュエーションが関与している可能性を示唆する。

ABSTRACT

We present measurements of the dynamics of a polarized magnetic environment coupled to the flux degree of freedom of rf-SQUID flux qubits. The qubits are used as both sources of polarizing field and detectors of the environmental polarization. We probe dynamics at timescales from 5 $μ$s to 5 ms and at temperatures between 12.5 and 22 mK. The measured polarization versus temperature provides strong evidence for a phase transition at a temperature of $5.7\pm 0.3$ mK. Furthermore, the environmental polarization grows initially as $\sqrt{t}$, consistent with spin diffusion dynamics. However, spin diffusion model deviates from data at long timescales, suggesting that a different phenomenon is responsible for the low-frequency behavior. A simple $1/f$ model can fit the data at all time scales but it requires empirical low- and high-frequency cutoffs. We argue that these results are consistent with an environment comprised of random clusters of spins, with fast spin diffusion dynamics within the clusters and slow fluctuations of the total moments of the clusters.

研究の動機と目的

• 超伝導フラックスキュービットと結合する環境スピン極化のダイナミクスを、ミリケルビン未塔温度で調査すること。
• 超伝導キュービットの主要な制限要因である1/f磁束ノイズの微視的起源を特定すること。
• 観測された極化ダイナミクスを説明するのに、スピン拡散モデルとクラスターに基づくモデルのどちらが適切かを検証すること。
• 環境極化の温度依存性を測定し、臨界相転移行動を同定すること。
• スピン環境における短時間のスピン拡散と長時間の低周波数ダイナミクスを区別すること。

提案手法

• rf-SQUIDフラックスキュービットを、環境の磁束偏移を測定する検出器および極化磁場の源として用いる。
• qubitの縮退点のシフトを用いて、時間に依存する環境偏移ξ̄(t)をフィードバックプロトコルで測定する。
• 低周波数ノイズを抑制し、環境ダイナミクスを分離するために、2段階初期化を組み合わせたインターリーブプロトコルを適用する。
• スピン環境を内部スピン拡散と遅いクラスター全モーメントのフラクチュエーションを有するランダムクラスターとしてモデル化する。
• 実験的極化データをスピン拡散および1/fノイズモデルにフィットさせ、低周波数および高周波数の行動に実験的カットオフを組み込む。
• 不規則性を伴う拡散方程式の解析的解（Fokker-Planckアプローチを用いて）を導出し、時間に依存する極化応答ξ̄(t)を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された環境スピン極化は、短時間スケールでスピン拡散ダイナミクスに従うか？
• RQ2 環境極化の温度依存性は何か？ これは相転移を示唆するか？
• RQ3 なぜスピン拡散モデルは長時間スケールの極化ダイナミクスを説明できないのか？
• RQ4 実験的カットオフを組み込んだ1/fノイズモデルは、データの全スケールを説明できるか？
• RQ5 純粋な拡散から逸脱する低周波数挙動の物理的起源は何か？

主な発見

• 環境極化は短時間（5 μs から 5 ms）で√t増加を示し、スピン拡散ダイナミクスと整合的である。
• Curie-Weissモデルに従う極化の温度依存性から、5.7 ± 0.3 mKで相転移が観測された。
• スピン拡散理論は長時間ダイナミクスを説明できず、極化が予測よりも遅く飽和することが判明した。
• 低周波数および高周波数の実験的カットオフを組み込んだ1/fノイズモデルは、全スケールでデータに適合した。
• データは、内部で高速なスピン拡散と、遅い全クラスターモーメントのフラクチュエーションを有するランダムスピンクラスターのモデルによって最もよく説明される。
• クラスターモデルにおける√tから指数的減衰へのクロスオーバーは、時間スケール~Ω⁻¹で発生し、Ωはクラスターサイズを越える拡散を特徴付ける。