[논문 리뷰] Microscopic charged fluctuators as a limit to the coherence of disordered superconductor devices

H. le Sueur, Artis Svilans외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 30.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 46인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 비정질 초전도체에서 기본적인 디코herence 메커니즘으로 미세한 전하를 띤 이중준위 시스템(TLS)을 규명하며, 이들이 BCS 기저 상태의 도체 전자와 결합하여 비편재 상태나 비오비터리스를 요구하지 않고도 공명성을 제한함을 보여준다. 이 메커니즘은 양자 위상 슬립 접합에서 낮은 공명성과 공진기에서의 낮은 품질 인자(Q-factor)를 설명하며, 가로 단면적 감소에 따라 디코herence가 증가함을 시사한다.

ABSTRACT

By performing experiments with thin-film resonators of NbSi, we elucidate a decoherence mechanism at work in disordered superconductors. This decoherence is caused by charged Two Level Systems (TLS) which couple to the conduction electrons in the BCS ground state; it does not involve any out-of-equilibrium quasiparticles, vortices, etc. Standard theories of mesoscopic disordered conductors enable making predictions regarding this mechanism, notably that decoherence should increase as the superconductor cross section decreases. Given the omnipresence of charged TLS in solid-state systems, this decoherence mechanism affects, to some degree, all experiments involving disordered superconductors. In particular, we show it easily explains the poor coherence observed in quantum phase slip experiments and may contribute to lowering the quality factors in some disordered superconductor resonators.

연구 동기 및 목표

• 편재 상태나 비오비터리스를 포함하지 않는 비정질 초전도체에서 새로운 디코herence 메커니즘을 규명하고 특성화하는 것.
• 실험적으로 관측된 양자 위상 슬립 접합(QPSJs)에서의 낮은 공명성과 비정질 초전도체 공진기에서의 낮은 품질 인자를 설명하는 것.
• 특히 NbSi 박막에서 운동량 유도 기반 장치의 공명성을 제한하는 전하를 띤 TLS의 역할을 조사하는 것.
• 초전도체-絕연체 전이(SIT) 및 Berezinskii–Kosterlitz–Thouless(BKT) 전이를 탐색하는 실험에 이 메커니즘이 미치는 영향을 평가하는 것.
• 향후 고임피던스 양자 회로에서 이 디코herence 메커니즘이 완화되거나 제거될 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 정상 상태 시트 저항이 약 600 Ω인 Nb₀.₁₈Si₀.₈₂ 박막(15 nm 두께)을 비정질 Si 기판에 증착하여 실험을 수행하였다.
• 17 mK에서 마이크로파 반응을 측정하기 위해 반파장 공면파일드 공진기와 룩드-엘에이스 공진기를 제작하였다.
• 기본 공진 주파수(6.687 GHz)로부터 운동량 유도를 추출하여 LK□ = 0.83 nH를 산정하였다.
• 측정된 품질 인자(Qmeas = 1.6×10⁴)는 외부 품질 인자(Qext = 1.6×10⁵)보다 현저히 낮았으며, 외부 결합이 아닌 내재 손실을 시사하였다.
• 시간에 따라 변화하는 전하 변동과 그 공진 주파수 및 Q에 미치는 영향을 분석하기 위해 시간 해상도 전송 측정을 실시하였다.
• 이론적 모델링은 표준 미세계적 비정질 도체 이론을 사용하여, 디코herence가 초전도체의 가로 단면적 감소에 따라 증가함을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 초전도체에서 낮은 온도와 편재 상태가 존재하지 않음에도 불구하고 양자 위상 슬립 접합(QPSJs)에서 낮은 공명성이 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ2 밀리켈빈 온도에서 소산 메커니즘이 무시 가능할 때에도 비정질 초전도체 공진기에서 예상치 못한 낮은 품질 인자가 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ3 계면 및 절연체 내 전하를 띤 이중준위 시스템(TLS)이 운동량 유도 기반 초전도체 장치에서 디코herence에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 특히 가로 단면적에 따라 TLS 유도 디코herence 메커니즘이 어떻게 의존하는가?
• RQ5 이 TLS 유도 디코herence 메커니즘이 초전도체-絕연체 전이(SIT) 또는 비정질 초전도체에서의 BKT 전이를 탐색하는 실험에서 나타나는 이질현상을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 전하를 띤 이중준위 시스템(TLS)은 비정질 초전도체에서 비소산 디코herence의 주요 원인으로 규명되었으며, 이는 BCS 기저 상태의 도체 전자와의 결합을 통해 작용한다.
• NbSi 공진기에서 관측된 품질 인자(Qmeas = 1.6×10⁴)는 외부 품질 인자(Qext = 1.6×10⁵)보다 현저히 낮았으며, 외부 결합이 아닌 내재 디코herence를 시사한다.
• TLS 유도 디코herence 메커니즘은 미세세계적 비정질 도체 이론에 따라 초전도체의 가로 단면적 감소에 따라 증가한다.
• 이 메커니즘은 이질적인 소산 경로가 없는 양자 위상 슬립 접합(QPSJs)에서의 낮은 공명성을 설명한다.
• 이 메커니즘은 소산적이지만, 비평형 편재 상태나 비오비터리스가 필요 없이 주파수 변동을 통해 디코herence를 유도할 수 있다.
• 이 TLS 유도 디코herence는 전하 자유도가 아닌 운동량 유도를 조절하기 때문에, 전통적인 트랜스몬 설계 기법으로는 완화되지 않는다.