[论文解读] Microscopic charged fluctuators as a limit to the coherence of disordered superconductor devices

H. le Sueur, Artis Svilans+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 46被引用 8

一句话总结

该论文将无序超导体中的微观带电两能级系统（TLS）识别为一种基本的退相干机制，表明它们与BCS基态中的传导电子耦合，从而在不涉及准粒子或涡旋的情况下限制相干性。该机制解释了量子相变结中相干性差以及谐振器品质因数降低的现象，且退相干随截面面积减小而增强。

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.

研究动机与目标

• 识别并表征一种不涉及准粒子或涡旋的无序超导体中新型退相干机制。
• 解释实验观测到的量子相变结（QPSJs）中相干性差以及无序超导体谐振器中品质因数低的原因。
• 研究带电TLS在限制基于动能电感的器件相干性方面的作用，特别是NbSi薄膜中的情况。
• 评估该机制对涉及超导-绝缘体相变（SIT）和贝列津-科斯特里茨-图思（BKT）相变实验的影响。
• 探讨该退相干机制是否可在未来高阻抗量子电路中被抑制或工程化消除。

提出的方法

• 在本征Si基底上沉积了15 nm厚的Nb₀.₁₈Si₀.₈₂薄膜（正常态面电阻约为600 Ω），并进行了实验。
• 制备了半波长共面波导谐振器和集总常数LC谐振器，用于在17 mK温度下测量微波响应。
• 从基频共振频率（6.687 GHz）中提取了动能电感，得到LK□ = 0.83 nH。
• 测得的品质因数（Qmeas = 1.6×10⁴）显著低于外部品质因数（Qext = 1.6×10⁵），表明存在内部损耗。
• 采用时间分辨透射测量探测动态电荷涨落及其对共振频率和Q值的影响。
• 理论建模采用标准介观无序导体理论，预测由于TLS耦合增强，退相干随超导体截面减小而增加。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在低温下且无准粒子激发的情况下，无序超导体中的量子相变结（QPSJs）仍表现出差的相干性？
• RQ2 在毫开尔文温度下耗散机制可忽略时，为何无序超导体谐振器中会出现出乎意料的低品质因数？
• RQ3 界面和绝缘体中的带电两能级系统（TLS）在基于动能电感的超导器件退相干中贡献程度如何？
• RQ4 TLS引起的退相干机制如何依赖于器件几何形状，特别是截面面积？
• RQ5 该TLS引起的退相干机制能否解释探测超导-绝缘体相变（SIT）或无序超导体中BKT相变实验中的异常现象？

主要发现

• 带电两能级系统（TLS）被识别为无序超导体中主导的、非耗散性退相干源，其通过与BCS基态中传导电子的耦合发挥作用。
• 在NbSi谐振器中观测到的品质因数（Qmeas = 1.6×10⁴）显著低于外部品质因数（Qext = 1.6×10⁵），表明内部退相干并非由外部耦合引起。
• TLS引起的退相干机制随超导体截面面积减小而增强，与介观无序导体理论预测一致。
• 该机制可解释量子相变结（QPSJs）中相干性差的现象，而这些系统原本缺乏明显的耗散通道。
• 该机制是非耗散性的，但可通过频率涨落导致退相干，无需非平衡准粒子或涡旋参与。
• 该TLS引起的退相干无法通过标准技术（如Transmon设计）缓解，因其调制的是动能电感而非电荷自由度。