[論文レビュー] Surface science motivated by heating of trapped ions from the quantum ground state

D. A. Hite, Kyle S. McKay+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 49被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、電極表面からの電場ノイズが引き起こす捕獲イオンにおける異常な非単調加熱現象を調査し、表面電位粗さおよび汚染物質被覆と関連付ける。ケルビンプローブ力顕微鏡（KPFM）およびXPSを用いて、Ar+イオンビーム照射が金電極表面を改質し、炭化水素汚染を低減させるとともに仕事関数のパッチを形成することを示した。実験的観察された非単調加熱率と表面電位粗さおよび被覆率の相関を示す体系的モデルを構築し、イオントラップ量子計算系で以前に観測された異常を説明した。

ABSTRACT

For the past two and a half decades, anomalous heating of trapped ions from nearby electrode surfaces has continued to demonstrate unexpected results. Caused by electric-field noise, this heating of the ions' motional modes remains an obstacle for scalable quantum computation with trapped ions. One of the anomalous features of this electric-field noise is the reported nonmonotonic behavior in the heating rate when a trap is incrementally cleaned by ion bombardment. Motivated by this result, the present work reports on a surface analysis of a sample ion-trap electrode treated similarly with incremental doses of Ar$^+$ ion bombardment. Kelvin probe force microscopy and x-ray photoelectron spectroscopy were used to investigate how the work functions on the electrode surface vary depending on the residual contaminant coverage between each treatment. It is shown that the as-fabricated Au electrode is covered with a hydrocarbon film that is modified after the first treatment, resulting in work functions and core-level binding energies that resemble that of atomic-like carbon on Au. Changes in the spatial distribution of work functions with each treatment, combined with a suggested phenomenological coverage and surface-potential roughness dependence to the heating, appear to be related to the nonmonotonic behavior previously reported.

研究の動機と目的

• 増分的イオンビーム照射処理における捕獲イオンの非単調運動的加熱の起源を理解すること。
• 表面電位不均一性および汚染物質被覆がイオントラップ電極における電場ノイズに与える影響を調査すること。
• 仕事関数、結合エネルギー、粗さといった表面科学的測定値を、実験的に観測された非単調加熱率と相関させること。
• 表面電位粗さおよび吸着体被覆率と加熱率の異常を結びつける体系的モデルの構築すること。

提案手法

• 電気めっき法で作製したAuイオントラップ電極に対して、増分的Ar+イオンビーム照射を施し、汚染被覆率を低減した。
• ケルビンプローブ力顕微鏡（KPFM）を用いて、仕事関数および表面電位粗さの空間的変動をマッピングした。
• X線フォトリタリオンスペクトロスコピー（XPS）を用いて、核心準位の結合エネルギーを測定し、炭素被膜の化学状態の変化を確認した。
• 捕獲されたイオンの周波数依存的加熱率を測定し、ノイズスペクトル密度のスケーリング（1/f^α）を特定した。
• 体系的モデルをフィッティングした： ˙¯n = C·(1−e−θ/λ)·σφ + bkg、ここでσφはRMS表面電位粗さ、θは被覆率、C、λ、bkgはフィッティングパラメータである。
• 仕事関数および化学状態の観点から、C/Au(110)モデル系との類似性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 増分的イオンビーム照射は、電気めっき法で作製したAuイオントラップ電極の仕事関数および表面電位分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 イオンビーム照射量の増加に伴って、捕獲イオンの運動的加熱が単調な期待とは反対に非単調的になるのはなぜか？
• RQ3 表面電位粗さおよび汚染物質被覆率は、測定された加熱率とどの程度相関しているか？
• RQ4 作製直後のAu電極の表面特性は、仕事関数および化学状態の観点からC/Au(110)モデル系とどの程度類似しているか？
• RQ5 被覆率および表面電位粗さに基づく単純な体系的モデルは、非単調加熱トレンドを定性的に説明できるか？

主な発見

• 最初のイオンビーム処理後、Au電極表面の仕事関数およびC 1s結合エネルギーは、Au(110)上に存在する原子的炭素と一致し、炭化水素膜が原子的炭素に変化したことを示した。
• KPFMにより、50–100 nmのサイズの表面電位パッチが広範囲に分布しており、結晶方位のみでは説明できない顕著な空間的不均一性が示された。
• 電場ノイズスペクトル密度のパワー則指数αは、高被覆率時（∼1.5）から低被覆率時（∼0.4）に変化し、主なノイズメカニズムの転移を示した。
• 加熱率の異方性が観測された：3 MHzで、スパッタビームと平行なモードは、4回の処理後、垂直モードに比べて約3.5倍高いノイズを示した。
• モデル ˙¯n = C·(1−e−θ/λ)·σφ + bkg は、C = 4 (quanta/s)/meV、λ = 0.2 ML、bkg = 4 quanta/s としてフィッティングされ、非単調加熱トレンドを定性的に再現した。
• θ = 0.9 ML 時、試料電極ではσφ = 42 meV（モデル加熱率：170 quanta/s）、C/Au(110)モデルではσφ = 11 meV（モデル加熱率：48 quanta/s）であり、表面電位粗さに強く依存することが示された。