[논문 리뷰] Frequency fluctuations of ferromagnetic resonances at milliKelvin temperatures

Tim Wolz, Luke J. McLellan외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 14.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 55인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 밀리켈빈 온도에서 YIG 구상에서의 반도체 공명(FMR) 주파수 변동성을 벡터 네트워크 분석기에서의 위상 노이즈 시간도 분석을 통해 조사한다. FMR 주파수 노이즈가 온도 및 전력에 독립적이며, 간단한 거듭제곱 법칙 스펙트럼 밀도가 아닌 폐쇄형 AR 과정으로 가장 잘 기술됨을 밝혀내어 기존 모델에 도전하며, 양자 마그노닉스에서의 위상 일관성 향상의 필요성을 강조한다.

ABSTRACT

Unwanted fluctuations over time, in short, noise, are detrimental to device performance, especially for quantum coherent circuits. Recent efforts have demonstrated routes to utilizing magnon systems for quantum technologies, which are based on interfacing single magnons to superconducting qubits. However, the coupling of several components often introduces additional noise to the system, degrading its coherence. Researching the temporal behavior can help to identify the underlying noise sources, which is a vital step in increasing coherence times and the hybrid device performance. Yet, the frequency noise of the ferromagnetic resonance (FMR) has so far been unexplored. Here, we investigate such FMR frequency fluctuations of a YIG sphere down to mK-temperatures, and find them independent of temperature and drive power. This suggests that the measured frequency noise in YIG is dominated by so far undetermined noise sources, which properties are not consistent with the conventional model of two-level systems, despite their effect on the sample linewidth. Moreover, the functional form of the FMR frequency noise power spectral density (PSD) cannot be described by a simple power law. By employing time-series analysis, we find a closed function for the PSD that fits our observations. Our results underline the necessity of coherence improvements to magnon systems for useful applications in quantum magnonics.

연구 동기 및 목표

• 밀리켈빈 온도에서 YIG 구상의 반도체 공명(FMR) 주파수 변동성을 측정하고 분석하기.
• 특히 양자 양자역학적 시스템의 맥락에서 YIG에서의 FMR 주파수 노이즈의 기원과 기능 형태를 규명하기.
• 이와 같은 주파수 노이즈를 설명할 수 있는 기존의 노이즈 모델(예: 이중 수준 시스템 기반 모델)이 관측된 주파수 노이즈를 설명할 수 있는지 평가하기.
• 온도 및 마이크로파 구동 전력의 영향을 FMR 주파수 변동성에 미치는 영향을 평가하기.
• 양자 마그노닉 시스템에서 비정상적 노이즈를 특성화하기 위한 시간도 분석 프레임워크 수립하기.

제안 방법

• 공연파 모드에서 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용해 공진점 근처 고정 주파수에서 S21의 시간도 위상 변동을 기록하였다.
• 공진점 근처 위상 응답의 선형 기울기를 사용해 위상 변동을 공진 주파수 변동으로 변환하였다.
• 자기상관함수(ACF), 부분 자기상관함수(PACF), Yule-Walker 방정식을 적용해 노이즈를 자기회귀(AR) 과정으로 모델링하기 위한 시간도 분석 기법을 적용하였다.
• 데이터 수집 및 분석에 오픈소스 qkit 측정 세트를 사용하였으며, 50 Hz 및 HEMT 노이즈 기여도를 제거하기 위한 후처리를 실시하였다.
• 실온에서의 YIG 및 리튬 산철(리철)에 대한 측정 결과와 비교하여 분산 및 기울기 행동을 분석하였다.
• 샘플링 주파수에 따른 PACF의 의존성을 평가하여 AR 모델 및 노이즈 특성화의 강건성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YIG에서 밀리켈빈 온도에서 FMR 주파수 노이즈는 온도 및 전력에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 YIG에서 FMR의 주파수 노이즈 스펙트럼 밀도(PSD)는 단순한 거듭제곱 법칙으로 기술될 수 있는가, 아니면 더 복잡한 모델이 필요한가?
• RQ3 기존의 이중 수준 시스템(TLS) 노이즈 모델이 주어진 주파수 변동성과 일치하는가, 특히 그들이 선명도 폭 증가에 미치는 영향를 감안할 때?
• RQ4 PSD의 기능 형태는 기저 노이즈 원천과 어떻게 관련되어 있으며, 이는 자기회귀(AR) 과정으로 포괄될 수 있는가?
• RQ5 실온에서의 리튬 산철(LiFe)과 비교해 YIG의 FMR 노이즈 특성은 어떻게 다른가?

주요 결과

• YIG에서의 FMR 주파수 노이즈는 온도(50 mK까지) 및 마이크로파 구동 전력에 독립적이며, 열 또는 자극에 의존하는 메커니즘에 의해 지배되지 않는 주요 노이즈 원천을 시사한다.
• 주파수 노이즈 스펙트럼 밀도(PSD)는 단순한 거듭제곱 법칙을 따르지 않으며, 시간도 분석에서 유도된 폐쇄형 함수로 가장 잘 기술된다.
• 노이즈는 제2차 자기회귀(AR(2)) 과정으로 잘 모델링되며, 지연 1 및 2에서 뚜렷한 부분 자기상관이 나타나 노이즈 역학의 기억 효과를 시사한다.
• 부분 자기상관함수(PACF)가 지연 2 이후에 0으로 떨어지므로, AR(2) 모델의 타당성이 확인되었으며, 표준 모델이 포괄하지 못하는 비마르코프 노이즈 구조를 시사한다.
• 노이즈 기원은 기존의 이중 수준 시스템(TLS)과 일치하지 않으며, TLS가 선명도 폭 증가의 원인임에도 불구하고, 별개의 이전에 규명되지 않은 노이즈 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 낮은 샘플링 주파수(<2 Hz)에서는 PSD가 루소르티안 형태로 단순화되며, 첫 번째 차수의 PACF만 유의미하게 남는다. 이는 다양한 통합 시간에서 AR 모델의 강건성을 확인한다.