[논문 리뷰] Hydrogen as a Source of Magnetic Flux Noise in Superconducting Quantum Devices

Zhe Wang, Hui Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 19.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 산화알루미늄(α-Al2O3) 표면에 존재하는 수소 원자를 초전도 큐비트에서 자기 플럭스 노이즈의 주요 원인으로 규명하였으며, 수소 원자는 큰 스핀 모멘트(0.81–0.87 μB)와 초저온의 스핀 재정렬 장벽(~10 mK)을 나타낸다. 저자들은 수소에 의해 유도되는 스핀을 억제하고 환경 중 흡착물을 차단하기 위해 그래핀 캡 피막을 제안하여 양자 장치의 디코herence를 감소시키는 실용적 해결책을 제공한다.

ABSTRACT

Superconducting qubits are hampered by flux noise produced by surface spins from a number of sources. Recent experiments indicated that hydrogen (H) atoms may be one of the sources. Using density functional theory calculations, we report that H atoms either embedded in or adsorbed on an {\alpha}-Al2O3(0001) surface have sizeable spin moments ranging from 0.81 to 0.87 {\mu}B with extremely shallow energy barriers for spin reorientation as low as ~10 mK. Furthermore, H adatoms on the surface attract gas molecules such as O2 and produce new spin sources. We propose using a protective graphene coating on an {\alpha}-Al2O3(0001) surface to eliminate H-induced surface spins and to screen other adsorbates from the environment.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트에서 자기 플럭스 노이즈의 원인으로서 수소 원자를 규명하는 것.
• α-Al2O3(0001) 표면에 존재하는 수소 원자의 스핀 자기성 특성을 이해하는 것.
• 수소의 흡착이 표면 스핀 모멘트와 스핀 재정렬 장벽에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 수소에 의해 유도되는 스핀 노이즈를 제거하고 환경 중 흡착물을 차단하기 위한 보호용 그래핀 코팅을 제안하는 것.

제안 방법

• 수소 원자가 α-Al2O3(0001) 표면에 임베디드되거나 흡착된 상태를 모의하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 플럭스 노이즈에 기여하는 수소 원자의 스핀 자기모멘트를 계산하였다.
• 수소에 의해 유도된 스핀의 스핀 재정렬 에너지 장벽을 계산하여 그 동적 거동을 평가하였다.
• 수소 흡착체가 O2 및 기타 기체 분자와 상호작용하는 것을 모의하여 제2의 스핀 원천 형성 가능성을 평가하였다.
• α-Al2O3 표면에 존재하는 그래핀 오버레이어의 보호 효과를 시뮬레이션하여 수소 관련 스핀 노이즈 억제 능력을 평가하였다.
• 실내 조건에서 그래핀 코팅 표면의 안정성과 스핀 스크리닝 효능을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 α-Al2O3(0001) 표면에 존재하는 수소 원자가 유도하는 스핀 자기모멘트의 크기는 얼마인가?
• RQ2 수소에 의해 유도된 스핀의 스핀 재정렬 에너지 장벽은 얼마나 낮은가?
• RQ3 산화알루미늄 표면에 존재하는 수소 흡착체는 O2 분자를 끌어당기고 활성화시켜 새로운 스핀 원천을 형성할 수 있는가?
• RQ4 그래핀 오버레이어는 수소에 의해 유도된 표면 스핀과 환경 중 흡착물을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ5 그래핀 코팅된 α-Al2O3 표면은 초전도 큐비트에서 플럭스 노이즈를 감소시키는 실용적인 해결책이 될 수 있는가?

주요 결과

• α-Al2O3(0001) 표면에 흡착되거나 내재된 수소 원자는 0.81에서 0.87 μB 사이의 스핀 자기모멘트를 나타낸다.
• 수소에 의해 유도된 스핀의 스핀 재정렬 에너지 장벽은 약 ~10 mK로 매우 낮아 고동적 변동이 높음을 시사한다.
• 표면에 존재하는 수소 흡착체는 O2 분자를 결합하여 새로운 스핀 활성 종을 형성하며, 플럭스 노이즈에 기여한다.
• 수소 존재는 산화알루미늄 기판의 표면 스핀 원천 수를 크게 증가시킨다.
• α-Al2O3(0001) 표면에 코팅된 그래핀은 수소에 의해 유도되는 스핀을 효과적으로 억제하고 환경 중 흡착물을 차단할 것으로 예측된다.
• 그래핀 캡 피막은 주요 플럭스 노이즈 원천을 제거함으로써 초전도 큐비트에서 디코herence를 감소시키는 유망한 길을 제공한다.