[论文解读] Probing Environmental Spin Polarization with Superconducting Flux Qubits

T. Lanting, M. H. S. Amin+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用 11

一句话总结

本研究利用超导通量任意子作为量子探针，在毫开尔文温度下研究磁性环境中环境自旋极化的动力学。研究发现相变温度为5.7 ± 0.3 mK，短时间√t增长行为由自旋扩散解释，而长时间行为偏离预期，表明自旋团簇磁矩的缓慢涨落而非纯扩散过程所致。

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.

研究动机与目标

• 在亚毫开尔文温度下研究与超导通量任意子耦合的环境自旋极化动力学。
• 确定1/f磁通噪声的微观起源，该噪声是超导任意子中主要限制因素。
• 检验自旋扩散模型与基于团簇的模型中哪一个更准确地描述观测到的极化动力学。
• 测量环境极化的温度依赖性并识别临界相变行为。
• 区分短时间自旋扩散与长时间低频动力学行为。

提出的方法

• 将射频-SQUID通量任意子用作极化磁场的源以及环境磁通偏置的探测器。
• 采用反馈协议通过任意子简并点位移测量时间依赖的环境偏置ξ̄(t)。
• 应用双初始化交错协议以抑制低频噪声并隔离环境动力学。
• 将自旋环境建模为具有内部自旋扩散和缓慢团簇磁矩涨落的随机团簇。
• 将实验极化数据拟合至自旋扩散与1/f噪声模型，对低频和高频行为引入经验截断。
• 利用含无序的扩散方程的解析解（通过Fokker-Planck方法）推导时间依赖的极化响应ξ̄(t)。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的环境自旋极化在短 timescale 是否符合自旋扩散动力学？
• RQ2 环境极化的温度依赖性如何？是否表明存在相变？
• RQ3 为何自旋扩散模型无法描述长时间尺度的极化动力学？
• RQ4 具有经验截断的1/f噪声模型是否能描述数据的全时间尺度行为？
• RQ5 偏离纯扩散的低频行为的物理起源是什么？

主要发现

• 环境极化在短时间（5 μs 至 5 ms）呈现√t增长，与自旋扩散动力学一致。
• 在5.7 ± 0.3 mK处观察到相变，极化温度依赖性符合Curie-Weiss模型。
• 自旋扩散理论无法描述长时间动力学，因为极化饱和速度慢于预测。
• 具有经验低频和高频截断的1/f噪声模型可拟合全时间尺度数据。
• 数据最符合随机自旋团簇模型，其内部自旋扩散迅速，而团簇总磁矩缓慢涨落。
• 在团簇模型中，从√t行为到指数衰减的转变发生在时间尺度~Ω⁻¹，其中Ω表征自旋在团簇尺寸上的扩散。