[논문 리뷰] Spectroscopy of random two-level systems in insulating films

Bahman Sarabi, Aruna Ramanayaka외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 23.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 밀리켈빈 온도에서 초전도성 마이크로파 공진기를 사용하고 캘리브레이션된 일정한 직류 전기장을 적용하여 절연막 내 개별 이중준위계열(_tls_)을 측정하기 위해 열화된 잘 고정된 공진기(DWR) 스펙트로스코피를 도입한다. 실리콘 질화막 내 60개의 TLS에서 전기 dipole 모멘트 $p_z$와 터널링 강도를 정밀하게 측정하였으며, 진공 플럭투에이션 필드는 양자 전기역학과 부피 통합을 통해 일관되게 측정되었다. 전기 dipole 모멘트는 3.3 및 8.3 Debye의 고유한 유형으로 나타났다.

ABSTRACT

Using a calibrated uniform dc electric field, we modify the energy potential of randomly occurring two-level systems (TLSs) in an insulating film and probe them using a superconducting microwave resonator at millikelvin temperatures. This allows measurement of the excitation energies of individual TLSs dependent on the $z$-component of their electric dipole moment $p_{z}$. The hyperbolic energy dependence of TLSs reveals the state of double well degeneracy which allows for a precise measurement of $p_{z}$ and the tunneling strength for each individual TLS. This method of degenerate well resonator (DWR) spectroscopy resolves multiple dipole types from a thick insulating film, and in silicon nitride we observe distinct types with maxima at $p_{z}=3.3$ and $8.3$ Debye. Sixty TLSs are measured with this technique, and the loss tangent microscopic observations is consistent with ensemble-averaged data. The TLS-resonator ac coupling is also measured and, with $p_{z}$, provides a quantum electrodynamical measurement of the vacuum fluctuation field. The same fluctuation field calculated from the electric field volume is only 16% smaller.

연구 동기 및 목표

• 비순서적인 절연막 내 개별 이중준위계열(TLSs)을 고정밀도로 탐측하는 방법을 개발하는 것.
• 캘리브레이션된 일정한 직류 전기장을 적용하여 개별 TLS의 전기 dipole 모멘트 $p_z$와 터널링 매트릭스 원소를 측정하는 것.
• 두꺼운 절연막에서 다중 TLS 전기 dipole 유형을 공진 마이크로파 탐측을 통해 구분하는 것.
• TLS와 공진기 간의 양자 전기역학적 결합을 통해 진공 플럭투에이션 필드를 검증하고, 부피 통합 추정치와 비교하는 것.

제안 방법

• 밀리켈빈 온도에서 초전도성 마이크로파 공진기를 사용하여 절연막 내 개별 TLS를 탐측한다.
• 캘리브레이션된 균일한 직류 전기장을 적용하여 TLS의 에너지 잠재력이 이동함으로써 그들의 여기 에너지를 제어하고 측정할 수 있도록 한다.
• 직류 전기장 하에서 TLS의 hyperbolic 에너지 의존성은 이중우물의 일치 상태를 드러내어 $p_z$와 터널링 매트릭스 원소를 정밀하게 추출할 수 있도록 한다.
• TLS-공진기 교류 결합을 측정하여 양자 전기역학을 통해 진공 플럭투에이션 필드를 결정한다.
• TLS-공진기 결합에서 측정된 진공 플럭투에이션 필드를 전기장 부피에서 계산된 값과 비교하여 일관성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두꺼운 절연막 내 개별 TLS에서 전기 dipole 모멘트 $p_z$의 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 공진 마이크로파 탐측기를 사용하여 개별 TLS의 터널링 매트릭스 원소와 $p_z$를 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 TLS-공진기 결합을 통해 측정된 진공 플럭투에이션 필드는 전기장 부피에서 유도된 값과 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 실리콘 질화막에 다수의 구분 가능한 TLS 전기 dipole 유형이 존재하는가? 그들의 특성 $p_z$ 값은 무엇인가?

주요 결과

• DWR 스펙트로스코피를 사용하여 실리콘 질화막에서 60개의 개별 이중준위계열(TLSs)을 측정하였으며, $p_z = 3.3$ 및 $8.3$ Debye에서 고유한 dipole 유형이 관찰되었다.
• TLS의 hyperbolic 에너지 의존성이 이중우물 일치 상태를 확인하였으며, 각 TLS의 $p_z$와 터널링 매트릭스 원소를 정밀하게 결정할 수 있었다.
• TLS와 공진기 간의 양자 전기역학적 결합을 통해 측정된 진공 플럭투에이션 필드는 전기장 부피에서 계산된 값보다 뿐만 아니라 16% 작게 측정되었다.
• 개별 TLS로부터 측정된 미세 구조 손실 탄젠트는 집합 평균 매크로스코픽 데이터와 일치하여 이 방법의 신뢰성을 검증하였다.