[论文解读] Spectroscopy of random two-level systems in insulating films

Bahman Sarabi, Aruna Ramanayaka+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2015

Quantum optics and atomic interactions被引用 3

一句话总结

本研究采用退化势阱谐振器（DWR）光谱法，在毫开尔文温度下利用校准的直流电场与超导微波谐振器，测量绝缘薄膜中单个两能级系统（TLSs）的特性。该方法精确测定了氮化硅中60个TLSs的电偶极矩 $p_z$ 和隧穿强度，揭示了3.3和8.3德拜两种不同的偶极类型，并通过量子电动力学与体积积分一致地测量了真空涨落场。

ABSTRACT

Using a calibrated uniform dc electric field, we modify the energy potential of randomly occurring two-level systems (TLSs) in an insulating film and probe them using a superconducting microwave resonator at millikelvin temperatures. This allows measurement of the excitation energies of individual TLSs dependent on the $z$-component of their electric dipole moment $p_{z}$. The hyperbolic energy dependence of TLSs reveals the state of double well degeneracy which allows for a precise measurement of $p_{z}$ and the tunneling strength for each individual TLS. This method of degenerate well resonator (DWR) spectroscopy resolves multiple dipole types from a thick insulating film, and in silicon nitride we observe distinct types with maxima at $p_{z}=3.3$ and $8.3$ Debye. Sixty TLSs are measured with this technique, and the loss tangent microscopic observations is consistent with ensemble-averaged data. The TLS-resonator ac coupling is also measured and, with $p_{z}$, provides a quantum electrodynamical measurement of the vacuum fluctuation field. The same fluctuation field calculated from the electric field volume is only 16% smaller.

研究动机与目标

• 开发一种高精度探测无序绝缘薄膜中单个两能级系统（TLSs）的方法。
• 通过施加校准的直流电场，测量单个TLSs的电偶极矩 $p_z$ 与隧穿矩阵元。
• 利用谐振微波探测技术，在厚绝缘薄膜中分辨多个TLS偶极类型。
• 通过TLS与谐振器之间的量子电动力学耦合，验证真空涨落场，并与体积积分估算值进行比较。

提出的方法

• 使用超导微波谐振器在毫开尔文温度下探测绝缘薄膜中的单个TLSs。
• 施加校准的均匀直流电场，以调节TLSs的能量势垒，实现对其激发能的控制与测量。
• 在直流电场下，TLSs的双曲能级依赖关系揭示了双阱简并，从而可精确提取 $p_z$ 与隧穿矩阵元。
• 测量TLS-谐振器的交流耦合，通过量子电动力学确定真空涨落场。
• 将TLS-谐振器耦合测得的真空涨落场与电场体积计算值进行比较，验证其一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在厚绝缘薄膜中，单个TLSs的电偶极矩 $p_z$ 分布如何？
• RQ2 利用谐振微波探测技术，对单个TLSs的隧穿矩阵元与 $p_z$ 能够实现多高的测量精度？
• RQ3 通过TLS-谐振器耦合测得的真空涨落场与基于电场体积推导的值在多大程度上一致？
• RQ4 氮化硅中是否存在多种不同的TLS偶极类型？其特征 $p_z$ 值是多少？

主要发现

• 利用DWR光谱法在氮化硅薄膜中测量了60个单个两能级系统（TLSs），观察到 $p_z = 3.3$ 和 $8.3$ 德拜的两种不同偶极类型。
• TLSs在直流电场下的双曲能级依赖关系证实了双阱简并，从而可对每个TLS精确测定 $p_z$ 与隧穿矩阵元。
• 通过TLS与谐振器之间量子电动力学耦合测得的真空涨落场，仅比基于电场体积计算的值小16%，表明高度一致。
• 从单个TLSs测得的微观损耗正切与宏观平均数据一致，验证了该方法的可靠性。