[논문 리뷰] Evidence for universal relationship between the measured 1/f permittivity noise and loss tangent created by tunneling atoms

Aruna Ramanayaka, Bahman Sarabi외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 22.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 터널링 시스템(TSs)을 가진 비정질 필름에서 1/f 유전율 노이즈와 손실탄성도 사이의 보편적 관계를 입증하며, 손실탄성도와 온도로 노이즈를 스케일링했을 때, 손실이 5배 이상 다른 필름 간에 일관된 값을 보임을 보여준다. 이 결과는 약한 TS-TS 상호작용 모델을 지지하며, 양자 컴퓨팅 및 천체물리학에서 사용되는 초고품질 공진기의 유전율 손실을 바탕으로 1/f 주파수 노이즈를 예측할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Noise from atomic tunneling systems (TSs) limit the performance of various resonant devices, ranging in application from astronomy detectors to quantum computing. Using devices containing these TSs, we study the $1/f$ permittivity noise and loss tangent in two film types containing different TS densities. The noise reveals an intrinsic value as well as the crossover to power-saturated noise. The intrinsic $1/f$ noise fits to the temperature dependence $1/T^{1+μ}$ where $0.2\leμ\le0.7$, which is related to previous studies and strongly interacting TS. An analysis of the noise normalized by the loss tangent and temperature is quantitatively identical for two film types, despite a factor of 5 difference in their loss tangent. Following from the broad applicability of the TS model, the data supports a universal relationship for amorphous-solid produced permittivity noise. The quantity of the observed noise particularly supports a recent model in which noise is created by weak TS-TS interactions.

연구 동기 및 목표

• 터널링 시스템(TSs)을 가진 비정질 필름에서 1/f 유전율 노이즈와 손실탄성도 사이의 관계를 조사하는 것, 특히 초전도 공진기에서의 응용을 중심으로 한다.
• 다른 TS 밀도와 손실탄성도를 가진 재료 간에 노이즈가 손실탄성도에 따라 스케일링되는가를 확인하는 것.
• 최근 제안된 이론 모델—특히 약한 TS-TS 상호작용 모델—이 노이즈 및 손실 포화 실험 데이터와 얼마나 잘 부합하는지 검증하는 것.
• 양자 컴퓨팅 및 천문학적 탐지기에서 사용되는 고Q 공진기에서 유전율 손실과 1/f 주파수 노이즈를 연결하는 예측 프레임워크를 수립하는 것.
• 두 가지 다른 비정질 필름에서의 전력 및 온도 의존성 노이즈 행동을 분석하여 이전 모델의 모순을 해결하는 것.

제안 방법

• 15 mK에서 작동하는 약 4.7 GHz의 초전도 알루미늄 LC 공진기에서 1/f 주파수 노이즈 스펙트럼 밀도 $ S_{\delta\nu/\nu}(f) $ 를 측정하였다.
• 저전력에서의 내재(비포화) 노이즈와 고전력에서의 포화 행동을 관찰하기 위해 마이크로파 전력 스윕을 실시하였으며, 손실탄성도의 포화 행동와 비교 분석하였다.
• 내재 노이즈의 온도 의존성을 분석하여 $ S_{\delta\nu/\nu} \propto T^{-1-\mu} $ 형태로 피팅하였으며, $ 0.2 \leq \mu \leq 0.7 $ 로 나타나 비정상적인 열활성화 효과를 시사하였다.
• 정규화된 노이즈 매개변수 $ \alpha_{TS} = A_0 \times N_{th} / \tan^2\delta $ 를 정의하였으며, 여기서 $ A_0 $ 는 1 Hz 노이즈 진폭, $ N_{th} $ 는 열적으로 활성화된 TS 수, $ \tan\delta $ 는 측정된 손실탄성도이다.
• 단일 듀얼폴 모멘트 근사($ p = 6 $ D)와 $ P_0 \propto \tan\delta_0 $ 를 사용하여 손실탄성도에서 TS 밀도를 추정하고, 재료 간 비교를 가능하게 하였다.
• 노이즈의 전력 의존성을 $ A_0 / [1 + (V_{RMS}/V_N)^2]^{\beta_N} $ 로 피팅하여 $ \beta_N = 0.7 \pm 0.2 $ 를 추출하였으며, 이는 이전에 관측되지 않은 강한 포화 행동을 나타내었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 TS 밀도를 가진 비정질 필름 간에 1/f 유전율 노이즈와 손실탄성도 사이에 보편적 스케일링 관계가 존재하는가?
• RQ2 내재 노이즈의 관측된 온도 의존성이 강한지 또는 약한 TS-TS 상호작용 모델을 지지하는가?
• RQ3 1/f 노이즈의 전력 의존성 포화 행동이 터널링 시스템의 손실탄성도 포화와 정량적으로 연결될 수 있는가?
• RQ4 손실탄성도가 5배 이상 다른 재료 간에 정규화된 노이즈 매개변수 $ \alpha_{TS} $ 가 일정하게 유지되는가? 이는 보편성의 증거가 된다.
• RQ5 관측된 데이터가 Burin 등(2015)의 약한 TS-TS 상호작용 모델을 다른 모델보다 얼마나 잘 지지하는가?

주요 결과

• 손실탄성도가 5배 이상 다른 두 가지 비정질 필름 유형 간에 정규화된 노이즈 매개변수 $ \alpha_{TS} $ 는 약 $ 1.0 $ 으로 거의 일정하며, 이는 보편적 스케일링 법칙을 시사한다.
• 내재 1/f 노이즈는 $ \mu = 0.3 $ 에서 $ 0.7 $ 으로 나타나는 $ S_{\delta\nu/\nu} \propto T^{-1-\mu} $ 의 온도 의존성을 보이며, 이는 약한 상호작용 모델에서 열로 활성화된 저에너지 TS와 일치한다.
• 전력 의존성 노이즈 포화는 $ A_0 / [1 + (V_{RMS}/V_N)^2]^{\beta_N} $ 로 잘 피팅되며, $ \beta_N = 0.7 \pm 0.2 $ 로 나타나 이전에 관측되지 않은 강한 포화 효과를 나타낸다.
• 측정된 $ \alpha_{TS} $ 값은 $ T \leq 100 $ mK 에서 Type-1에서 $ 0.80 \pm 0.26 $, Type-2에서 $ 1.32 \pm 0.76 $ 로 나타나, 약한 상호작용 모델의 이론적 예측인 $ \alpha_{TS} \approx 1.0 $ 과 일치한다.
• 비표준 TS 에너지 분포나 강한 상호작용을 가진 모델은 배제되며, 이는 손실탄성도가 다름에도 불구하고 정규화된 노이즈가 동일하게 유지되기 때문이다.
• 결과는 동일한 장치 기하구조를 가진 모든 비정질 필름에서, 손실탄성도와 온도를 알면 1/f 주파수 노이즈를 예측할 수 있음을 암시한다.