[论文解读] Evidence for universal relationship between the measured 1/f permittivity noise and loss tangent created by tunneling atoms

Aruna Ramanayaka, Bahman Sarabi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本研究展示了非晶薄膜中隧穿态（TSs）的1/f介电常数噪声与损耗正切之间的普遍关系，表明当噪声按损耗正切和温度归一化后，在损耗相差五倍的薄膜中保持不变。研究结果支持弱TS-TS相互作用模型，从而可预测用于量子计算和天体物理学的超导谐振器中的1/f频率噪声。

ABSTRACT

Noise from atomic tunneling systems (TSs) limit the performance of various resonant devices, ranging in application from astronomy detectors to quantum computing. Using devices containing these TSs, we study the $1/f$ permittivity noise and loss tangent in two film types containing different TS densities. The noise reveals an intrinsic value as well as the crossover to power-saturated noise. The intrinsic $1/f$ noise fits to the temperature dependence $1/T^{1+μ}$ where $0.2\leμ\le0.7$, which is related to previous studies and strongly interacting TS. An analysis of the noise normalized by the loss tangent and temperature is quantitatively identical for two film types, despite a factor of 5 difference in their loss tangent. Following from the broad applicability of the TS model, the data supports a universal relationship for amorphous-solid produced permittivity noise. The quantity of the observed noise particularly supports a recent model in which noise is created by weak TS-TS interactions.

研究动机与目标

• 研究非晶薄膜中隧穿态（TSs）的1/f介电常数噪声与损耗正切之间的关系，尤其关注超导谐振器中的表现。
• 确定噪声按损耗正切缩放是否在TS密度和损耗正切显著不同的材料中具有普适性。
• 通过实验数据检验近期理论模型（尤其是弱TS-TS相互作用模型）在噪声和损耗饱和行为上的有效性。
• 建立一个将介电损耗与高Q值谐振器中1/f频率噪声关联的预测框架，该谐振器用于量子计算和天文探测器。
• 通过分析两种不同非晶薄膜在功率和温度依赖性噪声行为上的差异，解决先前模型中的矛盾之处。

提出的方法

• 在约4.7 GHz的超导Al LC谐振器中测量1/f频率噪声功率谱密度 $ S_{\delta\nu/\nu}(f) $，工作温度为15 mK。
• 进行微波功率扫描，以观察低功率下的本征（未饱和）噪声和高功率下的饱和行为，并与损耗正切的饱和行为进行比较。
• 分析本征噪声的温度依赖性，拟合为 $ S_{\delta\nu/\nu} \propto T^{-1-\mu} $，其中 $ 0.2 \leq \mu \leq 0.7 $，表明存在非平凡的热激活效应。
• 定义归一化噪声参数 $ \alpha_{TS} = A_0 \times N_{th} / \tan^2\delta $，其中 $ A_0 $ 为1 Hz的噪声幅度，$ N_{th} $ 为热激活的TS数量，$ \tan\delta $ 为测得的损耗正切。
• 采用单偶极矩近似（$ p = 6 $ D）和 $ P_0 \propto \tan\delta_0 $，从损耗正切估算TS密度，以实现跨材料比较。
• 将噪声功率依赖性拟合为 $ A_0 / [1 + (V_{RMS}/V_N)^2]^{\beta_N} $，提取 $ \beta_N = 0.7 \pm 0.2 $，表明存在强烈的饱和行为，此前未被观测到。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有不同TS密度的非晶薄膜中，1/f介电常数噪声与损耗正切之间是否存在普遍缩放关系？
• RQ2 所观测到的本征噪声温度依赖性是否支持强或弱TS-TS相互作用模型？
• RQ3 1/f噪声的功率依赖性饱和是否可与隧穿态中损耗正切的饱和行为定量关联？
• RQ4 在损耗正切相差五倍的材料中，归一化噪声参数 $ \alpha_{TS} $ 是否保持恒定，表明其普适性？
• RQ5 所观测数据在多大程度上支持Burin等人（2015年）提出的弱TS-TS相互作用模型，而非其他替代模型？

主要发现

• 在两种非晶薄膜中，归一化噪声参数 $ \alpha_{TS} $ 约为1.0，尽管其损耗正切相差五倍，表明存在普遍缩放律。
• 本征1/f噪声表现出温度依赖性 $ S_{\delta\nu/\nu} \propto T^{-1-\mu} $，其中 $ \mu = 0.3 $ 至 $ 0.7 $，与弱相互作用模型中热激发的低能TS一致。
• 噪声的功率依赖性饱和行为可良好拟合为 $ A_0 / [1 + (V_{RMS}/V_N)^2]^{\beta_N} $，其中 $ \beta_N = 0.7 \pm 0.2 $，表明存在此前未观测到的强烈饱和效应。
• 在 $ T \leq 100 $ mK 时，测得的 $ \alpha_{TS} $ 值为：Type-1为 $ 0.80 \pm 0.26 $，Type-2为 $ 1.32 \pm 0.76 $，两者均与弱相互作用模型的理论预测 $ \alpha_{TS} \approx 1.0 $ 一致。
• 数据排除了具有非标准TS能级分布或强相互作用的模型，因为尽管损耗正切不同，归一化噪声在不同材料中完全相同。
• 结果表明，只要器件几何结构相同，即可通过介电损耗和温度预测任何具有隧穿态的非晶薄膜中的1/f频率噪声。