[論文レビュー] Microscopic Theory of Magnetic Disorder-Induced Decoherence in Superconducting Nb Films

Evan Sheridan, Thomas F. Harrelson+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、超伝導体Nb膜における磁気的不純物に起因するデ coherent 化を説明する ab initio Shiba 理論を構築した。酸化ナブチル酸化物（NbOx）層に存在する原子スケールの欠陥が、巨視的デ coherent 化に寄与することを特定した。酸素欠陥に起因するd軌道の磁気不純物が、冷却によっても除去できない温度に依存しない損失の主因であると判明した。

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.

研究の動機と目的

• 超伝導体Nb膜における磁気的デ coherent 化の原子スケールの起源を特定すること、特にプロセス中に形成される天然酸化被膜層に起因するものである。
• Nb2O5における構造的不規則性、化学 stoichiometry、および応力が局所スピンモーメントの形成に与える影響を理解すること。
• 欠陥誘起磁性の第一原理計算と巨視的表面インピーダンスおよびキュービットのデ coherent 化を結びつける微視的モデルを構築すること。
• d軌道系またはp軌道系の欠陥のうち、Nbベースの共振器における非-TLS（トンネル二準位）損失チャネルに最も顕著に寄与するものかどうかを特定すること。
• 酸素欠損を有するNbOx層の低減に寄与する、実用的なプロセス設計指針を提供すること。

提案手法

• アモルファスおよび結晶性Nb2O5相における電子構造と局所スピンモーメントを計算するために、ab initio 密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• スピン極性DFTにHubbard U補正を適用し、d⁰化学 stoichiometry のNb2O5において、不協和なNb原子および酸素欠陥に起因する局所スピンモーメントの形成を同定した。
• 軌道的性質に基づき、d軌道系（O欠陥／不協和に起因するNb-d軌道）とp軌道系（O間隙原子に起因するO-p軌道）の磁気不純物に分類した。
• 第一原理パラメータを用いて、s波超伝導体における磁気散乱および対破壊を記述する有効な準古典的Shibaモデルを構築した。
• Shibaモデルを用いて表面インピーダンスを計算し、散乱なし（p軌道系）と有限抵抗（d軌道系）の寄与を区別した。
• 交換結合定数と不純物密度の比較により、d軌道系とp軌道系不純物の相対的影響を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nb2O5にどのような原子スケールの欠陥が存在し、それがNb膜における磁気的デ coherent 化を誘起する局所スピンモーメントを形成するか？
• RQ2 酸素欠陥および不協和なNb原子は、d軌道系磁気不純物およびその交換結合にどのように寄与するか？
• RQ3 p軌道系不純物に比べて濃度が低いにもかかわらず、d軌道系不純物が非-TLS損失チャネルを支配する理由は何か？
• RQ4 酸化ナブチル酸化物（NbOx）層の除去または被覆によって、磁気的デ coherent 化をどの程度低減できるか？
• RQ5 d軌道系不純物に起因する残留表面インピーダンスは、温度を低下させることで完全に除去可能か、それとも本質的に温度に依存しないか？

主な発見

• 酸素欠陥および不協和なNb原子に起因する構造的不規則性により、磁気ドーピングが存在しないにもかかわらず、d⁰状態のNb2O5においても局所スピンモーメントが形成される。
• O欠陥または不協和に起因するNb-d軌道に局在するd軌道系磁気不純物は、p軌道系不純物に比べて約1桁大きい交換結合定数を示す。
• p軌道系不純物の約50％の濃度であるにもかかわらず、d軌道系欠陥は、より強い交換相互作用およびより大きな磁気モーメントにより、非-TLS損失チャネルを支配する。
• d軌道系不純物に起因する表面インピーダンスは絶対零度においても有限であり、冷却によっても低減できない残留抵抗を生じる。これは持続的デ coherent 化の原因である。
• O間隙原子に起因するp軌道系不純物は、顕著に高い濃度に達しない限り損失を誘発せず、通常の欠陥濃度下ではより害が小さい。
• 本研究では、酸素欠損を有するNbOx層が、Nbベースの超伝導キュービットにおけるデ coherent 化の主因であると特定した。これは、品質因子の低下を伴う実験的観察と一致する。