[论文解读] Frequency fluctuations of ferromagnetic resonances at milliKelvin temperatures

Tim Wolz, Luke J. McLellan+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 55被引用 5

一句话总结

本研究通过矢量网络分析仪的时间序列相位噪声分析，调查了在毫开尔文温度下钇铁石榴石（YIG）球体中铁磁共振（FMR）频率涨落。结果表明，FMR频率噪声与温度和功率无关，其功率谱密度（PSD）不符合幂律形式，最佳描述为闭式自回归（AR）过程，表明存在超出传统两能级系统（TLS）的未表征噪声源，挑战了现有模型，并凸显了在量子自旋电子学中提升相干性的必要性。

ABSTRACT

Unwanted fluctuations over time, in short, noise, are detrimental to device performance, especially for quantum coherent circuits. Recent efforts have demonstrated routes to utilizing magnon systems for quantum technologies, which are based on interfacing single magnons to superconducting qubits. However, the coupling of several components often introduces additional noise to the system, degrading its coherence. Researching the temporal behavior can help to identify the underlying noise sources, which is a vital step in increasing coherence times and the hybrid device performance. Yet, the frequency noise of the ferromagnetic resonance (FMR) has so far been unexplored. Here, we investigate such FMR frequency fluctuations of a YIG sphere down to mK-temperatures, and find them independent of temperature and drive power. This suggests that the measured frequency noise in YIG is dominated by so far undetermined noise sources, which properties are not consistent with the conventional model of two-level systems, despite their effect on the sample linewidth. Moreover, the functional form of the FMR frequency noise power spectral density (PSD) cannot be described by a simple power law. By employing time-series analysis, we find a closed function for the PSD that fits our observations. Our results underline the necessity of coherence improvements to magnon systems for useful applications in quantum magnonics.

研究动机与目标

• 测量并分析在毫开尔文温度下YIG球体中铁磁共振（FMR）的频率涨落。
• 识别YIG中FMR频率噪声的来源及其函数形式，特别是在量子相干系统背景下的表现。
• 评估传统噪声模型（如基于两能级系统（TLS）的模型）是否能解释观测到的频率噪声。
• 评估温度和微波驱动功率对FMR频率涨落的影响。
• 建立用于表征量子自旋电子系统中非平稳噪声的时间序列分析框架。

提出的方法

• 采用矢量网络分析仪（VNA）在连续波模式下，记录在共振附近固定频率处S21的相位时间序列涨落。
• 利用相位响应在共振附近的线性斜率，将相位涨落转换为共振频率涨落。
• 应用时间序列分析技术，包括自相关函数（ACF）、偏自相关函数（PACF）及Yule-Walker方程，将噪声建模为自回归（AR）过程。
• 使用开源qkit测量套件进行数据采集与分析，并通过后处理去除50 Hz及HEMT噪声贡献。
• 将结果与室温下YIG和锂 ferrite（LiFe）的测量结果进行对比，重点关注色散与梯度行为。
• 评估PACF对采样率的依赖性，以确保AR模型和噪声表征的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫开尔文温度下，YIG中FMR频率噪声的温度和功率依赖性如何？
• RQ2 YIG中FMR的频率噪声功率谱密度（PSD）是否可由简单幂律描述，还是需要更复杂的模型？
• RQ3 考虑到TLS对线宽展宽的已知影响，观测到的频率涨落是否与传统的两能级系统（TLS）噪声模型一致？
• RQ4 PSD的函数形式如何反映其潜在噪声源？是否可由自回归（AR）过程准确捕捉？
• RQ5 YIG中的FMR噪声特性与室温下其他材料（如锂 ferrite（LiFe））相比如何？

主要发现

• YIG中FMR频率噪声与温度（低至50 mK）和微波驱动功率无关，表明存在不依赖于热或激发依赖机制的主导噪声源。
• 频率噪声功率谱密度（PSD）不符合简单幂律，而最佳由时间序列分析导出的闭式函数描述。
• 噪声可良好地建模为二阶自回归（AR(2)）过程，且在滞后1和2处具有显著的偏自相关，表明噪声动力学中存在记忆效应。
• 偏自相关函数（PACF）在滞后2之后降至零，证实AR(2)模型的有效性，并表明存在标准模型无法捕捉的非马尔可夫噪声结构。
• 噪声来源与传统两能级系统（TLS）不一致，尽管TLS是导致线宽展宽的原因，表明存在一种不同且此前未表征的噪声机制。
• 在低采样率（<2 Hz）下，PSD简化为洛伦兹形，且仅一阶PACF显著，证实AR模型在不同积分时间下的稳健性。