[论文解读] Hydrogen as a Source of Magnetic Flux Noise in Superconducting Quantum Devices

Zhe Wang, Hui Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本研究识别出蓝宝石（α-Al₂O₃）表面的氢原子是超导量子比特中磁通噪声的重要来源，氢原子表现出较大的自旋磁矩（0.81–0.87 μB）和极低的自旋再取向势垒（约10 mK）。作者提出采用石墨烯盖层以抑制氢诱导的自旋并阻挡环境吸附物，为降低量子器件退相干提供了一种实用解决方案。

ABSTRACT

Superconducting qubits are hampered by flux noise produced by surface spins from a number of sources. Recent experiments indicated that hydrogen (H) atoms may be one of the sources. Using density functional theory calculations, we report that H atoms either embedded in or adsorbed on an {\alpha}-Al2O3(0001) surface have sizeable spin moments ranging from 0.81 to 0.87 {\mu}B with extremely shallow energy barriers for spin reorientation as low as ~10 mK. Furthermore, H adatoms on the surface attract gas molecules such as O2 and produce new spin sources. We propose using a protective graphene coating on an {\alpha}-Al2O3(0001) surface to eliminate H-induced surface spins and to screen other adsorbates from the environment.

研究动机与目标

• 识别氢原子作为超导量子器件中磁通噪声的来源。
• 理解氢原子在α-Al₂O₃(0001)表面的自旋磁性特性。
• 研究氢吸附对表面自旋磁矩和自旋再取向势垒的影响。
• 提出一种保护性石墨烯涂层，以消除氢诱导的自旋噪声并屏蔽环境吸附物。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算模拟氢原子在α-Al₂O₃(0001)表面的嵌入或吸附状态。
• 计算氢原子的自旋磁矩，以评估其对磁通噪声的贡献。
• 计算氢诱导自旋的自旋再取向能垒，以评估其动态行为。
• 模拟氢原子与O₂及其他气体分子的相互作用，以评估二次自旋源的形成。
• 模拟石墨烯顶层在α-Al₂O₃上的保护效应，以评估其抑制氢相关自旋噪声的能力。
• 分析石墨烯包覆表面在环境条件下的稳定性和自旋屏蔽效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 氢原子在α-Al₂O₃(0001)表面诱导的自旋磁矩大小是多少？
• RQ2 氢诱导自旋的自旋再取向能垒有多低？
• RQ3 蓝宝石表面的氢原子能否吸引并活化O₂分子，形成新的自旋源？
• RQ4 石墨烯顶层在多大程度上可抑制氢诱导的表面自旋并阻挡环境吸附物？
• RQ5 石墨烯包覆的α-Al₂O₃表面是否可作为降低超导量子比特磁通噪声的可行解决方案？

主要发现

• 吸附在或嵌入α-Al₂O₃(0001)表面的氢原子表现出0.81至0.87 μB的自旋磁矩。
• 氢诱导自旋的自旋再取向能垒低至约10 mK，表明其具有高度动态涨落特性。
• 表面氢原子可与O₂分子结合，形成新的具有自旋活性的物种，从而贡献于磁通噪声。
• 氢的存在显著增加了蓝宝石衬底上的表面自旋源数量。
• 预测在α-Al₂O₃(0001)表面施加石墨烯涂层可有效抑制氢诱导的自旋并阻挡环境吸附物。
• 石墨烯盖层通过消除磁通噪声的主要来源，为降低超导量子器件的退相干提供了一条有前景的途径。