[논문 리뷰] Microscopic Theory of Magnetic Disorder-Induced Decoherence in Superconducting Nb Films

Evan Sheridan, Thomas F. Harrelson외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 23.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초전도체 Nb 필름에서 자기적 무질서에 의한 얽힘 해리 현상을 설명하기 위해 ab initio Shiba 이론을 개발한다. 이는 천연 NbOx 계면에서 원자 척도의 결함이 매크로스코픽 얽힘 해리와 연결됨을 밝힌다. 산소 빈도로 인한 d-채널 자기 불순물이 잔류 표면 임피던스의 주요 원인임을 규명하여, 냉각으로 제거할 수 없는 온도에 무관한 손실을 설명한다.

ABSTRACT

The performance of superconducting qubits is orders of magnitude below what is expected from theoretical estimates based on the loss tangents of the constituent bulk materials. This has been attributed to the presence of uncontrolled surface oxides formed during fabrication which can introduce defects and impurities that create decoherence channels. Here, we develop an ab initio Shiba theory to investigate the microscopic origin of magnetic-induced decoherence in niobium thin film superconductors and the formation of native oxides. Our ab initio calculations encompass the roles of structural disorder, stoichiometry, and strain on the formation of decoherence-inducing local spin moments. With parameters derived from these first-principles calculations we develop an effective quasi-classical model of magnetic-induced losses in the superconductor. We identify d-channel losses (associated with oxygen vacancies) as especially parasitic, resulting in a residual zero temperature surface impedance. This work provides a route to connecting atomic scale properties of superconducting materials and macroscopic decoherence channels affecting quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 초전도체 Nb 필름에서 자기적 얽힘 해리의 원자 척도 기원을 규명하고, 특히 제조 과정에서 형성된 천연 산화막의 영향을 이해한다.
• Nb2O5의 구조적 무질서, 화학 스토이히오메트리, 스트레인이 국소 스핀 모멘트 형성에 미치는 영향을 이해한다.
• 결함 유도 자성의 제1원리 계산과 매크로스코픽 표면 임피던스 및 큐비트 얽힘 해리 사이의 미세 구조 모델을 수립한다.
• d-채널 또는 p-채널 불순물 중 어느 것이 Nb 기반 공진기에서 비-TLS(터널링 이중준위) 손실 채널에 가장 크게 기여하는지 규명한다.
• 산소 부족 상태의 NbOx 층을 완화함으로써 얽힘 해리를 줄이기 위한 실질적인 제조 지침을 제공한다.

제안 방법

• 비정질 및 정질 Nb2O5 상에서 전자 구조와 국소 스핀 모멘트를 계산하기 위해 ab initio 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행한다.
• 스핀 분리 DFT에 Hubbard U 보정을 적용하여, d⁰ 스토이히오메트리의 Nb2O5에서 부족한 오목성 Nb 원자와 산소 빈도로 인한 국소 스핀 모멘트 형성을 규명한다.
• 오비탈 특성에 따라 자기 불순물을 d-채널(산소 빈도/부족한 배위로 인한 Nb-d 오비탈)과 p-채널(산소 침입으로 인한 O-p 오비탈) 상태로 분류한다.
• 제1원리 계산에서 유도된 매개변수를 바탕으로 s-파 초전도체에서의 자기 산산화 및 쌍파괴를 기술하는 효과적인 준고전적 Shiba 모델을 수립한다.
• Shiba 모델을 사용해 표면 임피던스를 계산하고, 소산 없음(p-채널)과 유한 저항(d-채널) 기여를 구분한다.
• 교환 결합 강도와 불순물 농도를 비교하여 d-채널과 p-채널 불순물의 상대적 영향을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb2O5 내 어떤 원자 척도 결함이 Nb 필름에서 자기적 얽힘 해리를 유도하는 국소 스핀 모멘트 형성에 기여하는가?
• RQ2 산소 빈도와 부족한 배위를 가진 Nb 원자가 d-채널 자기 불순물과 그 교환 결합에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 d-채널 불순물이 p-채널 불순물보다 농도는 낮음에도 불구하고 비-TLS 손실 채널을 지배하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 NbOx 층을 제거하거나 표면 처리함으로써 자기적 얽힘 해리를 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ5 d-채널 불순물에서 기인하는 잔류 표면 임피던스는 온도를 낮추어도 제거될 수 있는가, 아니면 본질적으로 온도에 무관한가?

주요 결과

• 구조적 무질서, 특히 산소 빈도와 부족한 배위를 가진 Nb 원자가 존재함에도 불구하고, 순수 d⁰ Nb2O5에서도 국소 스핀 모멘트가 형성된다.
• 산소 빈도 또는 부족한 배위로 인해 Nb-d 오비탈에 국소화된 d-채널 자기 불순물은 p-채널 불순물보다 약 10배 정도 더 강한 교환 결합을 보인다.
• p-채널 불순물보다 약 50% 농도가 낮음에도 불구하고, 더 강한 교환 상호작용과 더 큰 자기 모멘트로 인해 d-채널 결함이 비-TLS 손실 채널을 지배한다.
• d-채널 불순물에서 기인하는 표면 임피던스는 절대온도에서 여전히 유한하게 유지되어 잔류 저항을 유도하며, 냉각으로도 제거할 수 없는 지속적인 얽힘 해리를 설명한다.
• p-채널 불순물(O 침입으로 인한)은 상당히 높은 농도에서만 소산을 유도하므로, 일반적인 결함 농도 조건에서는 덜 해로운 편이다.
• 이 연구는 산소 부족 상태의 NbOx 층이 Nb 기반 초전도 큐비트에서 얽힘 해리의 주요 원인임을 규명하여, 품질 인자가 악화되는 실험적 관측 결과를 뒷받침한다.