[논문 리뷰] A Stress Induced Source of Phonon Bursts and Quasiparticle Poisoning

Robin Anthony-Petersen, A. Biekert외 44명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 04.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 34인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 냉각 후 시간이 지남에 따라 감소하는 저에너지 포논 붕괴를 유발하는, 실리콘 결정과 그를 고정한 마운트 사이의 열적 응력 완화를 밝혀내었다. 저자들은 이러한 응력 완화가 초전도 큐비트에서 준입자 독성의 원인이 되며, 냉각된 암흑물질 탐지기에서의 비열적 포논 배경에 기여함을 입증한다.

ABSTRACT

The performance of superconducting qubits is degraded by a poorly characterized set of energy sources breaking the Cooper pairs responsible for superconductivity, creating a condition often called ``quasiparticle poisoning". Both superconducting qubits and low threshold dark matter calorimeters have observed excess bursts of quasiparticles or phonons that decrease in rate with time. Here, we show that a silicon crystal glued to its holder exhibits a rate of low-energy phonon events that is more than two orders of magnitude larger than in a functionally identical crystal suspended from its holder in a low-stress state. The excess phonon event rate in the glued crystal decreases with time since cooldown, consistent with a source of phonon bursts which contributes to quasiparticle poisoning in quantum circuits and the low-energy events observed in cryogenic calorimeters. We argue that relaxation of thermally induced stress between the glue and crystal is the source of these events.

연구 동기 및 목표

• 냉각 후 관측된 시간에 따라 감쇠하는 포논 붕괴의 기원을 규명하는 것.
• 결정-마운트 인터페이스에서의 기계적 응력이 초전도 회로에서 준입자 독성에 기여하는지 조사하는 것.
• 고응력(접착된) 및 저응력(매달린) 조건에서 실리콘 결정의 포논 이벤트 레이트를 비교하는 것.
• 접착 인터페이스에서의 응력 완화를 관측된 비열적 포논 배경과 연결하는 것.

제안 방법

• 접착(고응력) 및 매달린(저응력) 구조로 마운트된 실리콘 결정에서의 포논 이벤트 레이트를 비교하는 제어 실험을 수행하였다.
• 냉각 후 시간에 따라 변화하는 포논 붕괴 레이트를 양 구조에서 측정하였다.
• 기본값, 기울기, 카이제곱 임계값을 포함한 데이터 품질 컷을 적용하여 노이즈에서 진짜 포논 이벤트를 분리하였다.
• 여러 일간의 데이터 수집을 통해 냉각 이후 경과 시간에 따른 이벤트 레이트 변화를 평가하였다.
• 관측된 이벤트 레이트 감쇠를 접합-결정 인터페이스에서의 열적 응력 완화와 연관지었다.
• 응력 완화 과정을 포논 형태의 일시적 에너지 방출의 원천으로 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각 후 관측된 시간에 따라 감쇠하는 저에너지 포논 붕괴의 원인은 무엇인가?
• RQ2 결정-마운트 인터페이스에서의 기계적 응력은 포논 및 준입자 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 접착 부위에서의 응력 완화가 희귀사건 탐색에서 지속적인 비열적 배경을 설명할 수 있는가?
• RQ4 내재적으로 준입자 밀도가 낮은 재료를 사용하는 초전도 큐비트가 왜 준입자 독성을 보이는가?
• RQ5 관측된 포논 붕괴 레이트는 결정 마운트의 기계적 구속 조건에 의존하는가?

주요 결과

• 접착된 실리콘 결정은 매달린 결정보다 포논 이벤트 레이트가 두 개 이상의 지수 이상 높았다.
• 접착된 결정에서의 초과 포논 붕괴 레이트는 냉각 후 시간이 지남에 따라 지수적으로 감소하였으며, 초전도 큐비트에서 관측된 준입자 독성의 감쇠 프로파일과 일치하였다.
• 관측된 이벤트 레이트 감쇠는 접합-결정 인터페이스에서의 열적 활성화 응력 완화와 일치하였다.
• 기타 알려진 포논 붕괴 원인(예: 우주선 또는 전자 노이즈)이 주요 기여자로 제거되었다.
• 응력 완화 메커니즘은 초전도 큐비트에서의 준입자 독성과 냉각된 칼로리미터에서의 비열적 포논 배경을 통합적으로 설명할 수 있다.
• 고응력 및 저응력 조건의 데이터를 종합한 결과, 총 통과 비율은 0.869–0.901로 나타나 이벤트 선별의 강건성과 관측된 차이의 유의미성을 확인하였다.