[論文レビュー] Spectroscopy of random two-level systems in insulating films

Bahman Sarabi, Aruna Ramanayaka+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2015

Quantum optics and atomic interactions被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ミリケルビン温度での超伝導マイクロ波共鳴器と校正済みのdc電場を用いて、絶縁膜内の個々の二準位系（TLS）を測定するための縮退する well 共鳴器（DWR）分光法を導入した。シリコンナ nitride 内の60個のTLSについて、電気双極子モーメント $p_z$ とトンネル強度を高精度で決定し、3.3および8.3デバイの異なる双極子型が確認された。真空中の揺らぎ電場は量子電磁力学と体積積分を用いて一貫して測定された。

ABSTRACT

Using a calibrated uniform dc electric field, we modify the energy potential of randomly occurring two-level systems (TLSs) in an insulating film and probe them using a superconducting microwave resonator at millikelvin temperatures. This allows measurement of the excitation energies of individual TLSs dependent on the $z$-component of their electric dipole moment $p_{z}$. The hyperbolic energy dependence of TLSs reveals the state of double well degeneracy which allows for a precise measurement of $p_{z}$ and the tunneling strength for each individual TLS. This method of degenerate well resonator (DWR) spectroscopy resolves multiple dipole types from a thick insulating film, and in silicon nitride we observe distinct types with maxima at $p_{z}=3.3$ and $8.3$ Debye. Sixty TLSs are measured with this technique, and the loss tangent microscopic observations is consistent with ensemble-averaged data. The TLS-resonator ac coupling is also measured and, with $p_{z}$, provides a quantum electrodynamical measurement of the vacuum fluctuation field. The same fluctuation field calculated from the electric field volume is only 16% smaller.

研究の動機と目的

• 不規則な絶縁膜内に存在する個々の二準位系（TLS）を高精度でプローブする手法を開発すること。
• 校正済みのdc電場を適用することで、個々のTLSの電気双極子モーメント $p_z$ とトンネル行列要素を測定すること。
• 共鳴マイクロ波プローブを用いて、厚い絶縁膜内の複数のTLS双極子型を解明すること。
• TLSと共鳴器間の量子電磁力学的結合を用いて真空中の揺らぎ電場を検証し、体積積分による推定値と比較すること。

提案手法

• ミリケルビン温度下で、超伝導マイクロ波共鳴器を用いて絶縁膜内の個々のTLSをプローブする。
• 校正済みの一様なdc電場を印加し、TLSのエネルギーポテンシャルをシフトさせ、励起エネルギーの制御と測定を可能にする。
• dc電場下におけるTLSの双曲型エネルギー依存性が二重井戦いの縮退を示し、$p_z$ とトンネル行列要素の高精度抽出を可能にする。
• TLS-共鳴器間のac結合を測定し、量子電磁力学を用いて真空中の揺らぎ電場を決定する。
• TLS-共鳴器結合から得た真空中の揺らぎ電場を、電場の体積積分から算出した値と比較し、一貫性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 厚い絶縁膜内に存在する個々のTLSにおける電気双極子モーメント $p_z$ の分布はどのようなものか？
• RQ2 共鳴マイクロ波プローブを用いることで、個々のTLSのトンネル行列要素と $p_z$ はどの程度の精度で測定可能か？
• RQ3 TLS-共鳴器結合により測定された真空中の揺らぎ電場は、電場の体積から導出された値とどの程度一致するか？
• RQ4 シリコンナ nitride には複数の明確に異なるTLS双極子型が存在するのか？その特徴的な $p_z$ 値は何か？

主な発見

• DWR分光法を用いて、シリコンナ nitride 薄膜内に60個の個々の二準位系（TLS）を測定し、$p_z = 3.3$ および $8.3$ デバイの明確に異なる双極子型が観測された。
• TLSの双曲型エネルギー依存性が二重井戦いの縮退を確認し、各TLSの $p_z$ とトンネル行列要素の高精度決定が可能になった。
• TLSと共鳴器間の量子電磁力学的結合により測定された真空中の揺らぎ電場は、電場体積からの推定値と比較してわずかに16%小さい値であった。
• 個々のTLSから測定した微視的損失タンジェントは、集合平均のマクロなデータと整合的であり、本手法の信頼性が裏付けられた。