[논문 리뷰] Probing Environmental Spin Polarization with Superconducting Flux Qubits

T. Lanting, M. H. S. Amin외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 31.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 2인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 초전도성 플럭스 큐비트를 양자 탐측기로 사용하여 밀리켈빈 온도에서 자성 환경 내의 환경 스핀 균형 동역학을 조사한다. 5.7 ± 0.3 mK에서 상전이가 관측되었으며, 짧은 시간에는 스핀 확산이 √t 증가를 설명하지만, 장시간 행동은 이와 다름을 보이며, 순수한 확산이 아닌 스핀 클러스터 모멘트의 느린 변동이 원인일 가능성이 제기된다.

ABSTRACT

We present measurements of the dynamics of a polarized magnetic environment coupled to the flux degree of freedom of rf-SQUID flux qubits. The qubits are used as both sources of polarizing field and detectors of the environmental polarization. We probe dynamics at timescales from 5 $μ$s to 5 ms and at temperatures between 12.5 and 22 mK. The measured polarization versus temperature provides strong evidence for a phase transition at a temperature of $5.7\pm 0.3$ mK. Furthermore, the environmental polarization grows initially as $\sqrt{t}$, consistent with spin diffusion dynamics. However, spin diffusion model deviates from data at long timescales, suggesting that a different phenomenon is responsible for the low-frequency behavior. A simple $1/f$ model can fit the data at all time scales but it requires empirical low- and high-frequency cutoffs. We argue that these results are consistent with an environment comprised of random clusters of spins, with fast spin diffusion dynamics within the clusters and slow fluctuations of the total moments of the clusters.

연구 동기 및 목표

• 초전도성 플럭스 큐비트에 결합된 환경 스핀 균형의 동역학을 밀리켈빈 이하 온도에서 조사하기.
• 초전도 큐비트의 주요 제약인 1/f 자기장 노이즈의 미시적 기원을 규명하기.
• 관측된 균형 동역학을 설명하는 데 있어 스핀 확산 모델과 클러스터 기반 모델 중 어느 것이 더 적합한지 테스트하기.
• 환경 균형의 온도 의존성을 측정하고 임계 상전이 행동을 식별하기.
• 스핀 환경 내에서 짧은 시간 스핀 확산과 장시간 저주파수 동역학을 구분하기.

제안 방법

• 환경 균형 자기장의 근원과 환경 플럭스 비스를 측정하는 탐측기로 rf-SQUID 플럭스 큐비트를 활용한다.
• 큐비트의 비퇴화 점 이동을 통해 시간에 따라 변화하는 환경 비스 ξ̄(t)를 측정하기 위한 피드백 프로토콜을 적용한다.
• 저주파수 노이즈를 억제하고 환경 동역학을 분리하기 위해 두 번의 초기화를 교차 적용하는 프로토콜을 사용한다.
• 스핀 환경을 내부 스핀 확산과 느린 클러스터 모멘트 변동을 갖는 무작위 클러스터로 모델링한다.
• 실험적 균형 데이터를 스핀 확산 및 1/f 노이즈 모델에 적합시키며, 저주파수 및 고주파수 행동에 대한 경험적 截단을 통합한다.
• 불규칙성(불확실성)을 포함한 확산 방정식의 해석적 해(포커-플랑크 접근법을 통해 유도)를 사용하여 시간에 따라 변화하는 균형 반응 ξ̄(t)를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 환경 스핀 균형이 짧은 시간 척도에서 스핀 확산 동역학을 따르는가?
• RQ2 환경 균형의 온도 의존성은 어떻게 되며, 이는 상전이를 시사하는가?
• RQ3 왜 스핀 확산 모델은 장시간 척도의 균형 동역학을 설명하지 못하는가?
• RQ4 경험적 截단을 갖는 1/f 노이즈 모델이 전체 시간 척도 범위의 데이터를 설명할 수 있는가?
• RQ5 순수한 확산과 다름을 보이는 저주파수 행동의 물리적 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 환경 균형은 짧은 시간 척도(5 μs에서 5 ms)에서 √t 증가를 보이며, 이는 스핀 확산 동역학과 일치한다.
• 5.7 ± 0.3 mK에서 상전이가 관측되었으며, 이는 균형의 온도 의존성이 큐리-베이저 모델에 잘 맞는 것으로 나타났다.
• 스핀 확산 이론은 장시간 동역학을 설명하지 못하며, 균형이 예측보다 느리게趋向 포화됨을 보였다.
• 저주파수 및 고주파수 截단을 갖는 경험적 1/f 노이즈 모델이 모든 시간 척도에서 데이터에 잘 맞는다.
• 데이터는 내부 확산은 빠르지만 총 클러스터 모멘트의 느린 변동을 갖는 무작위 스핀 클러스터 모델로 가장 잘 설명된다.
• 클러스터 모델에서 √t에서 지수 감쇠로의 전이 시점은 약 ~Ω⁻¹이며, 여기서 Ω는 클러스터 크기로의 확산을 특성화한다.