Realization and characterization of Cu/sapphire coplanar resonators for surface ensemble electron spin resonance

Abstract

Spins in solids or in molecules have discrete energy levels, and the associated quantum states can be coherently manipulated by means of external magnetic field [1]. In this point of view, electron spin resonance (ESR) spectroscopy which detects the energy difference of quantum states accompanying the application of an external magnetic field, is one of the prominent tools to study the quantum coherence properties. This work is dedicated to developing an electron spin resonance device specialized for on-surface spin ensemble systems. The ensemble spin system on the surface is one of the potential model systems as candidates for qubits. Therefore, coplanar waveguide (CPW) resonator and molecular films were implemented in an ultra-high vacuum chamber designed to build a spin system on the surface, and the properties of the metal and molecular layers constituting the system were analyzed. First, a CPW resonator was implemented by depositing copper on a sapphire substrate, and then the thickness and average roughness of the deposited copper film were evaluated using atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), and scanning tunneling microscopy (STM). Furthermore, we prepared α,γ-bisdiphenylene-β-phenylallyl (BDPA) and 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) molecular thin film and evaluated the performance of the resonators by measuring ESR spectra. In conclusion, we confirmed the validity of the Cu surface as a platform for spin ensemble system and optimized the sample preparation process.;고체 또는 분자가 가지고 있는 스핀은 불연속적인 에너지 준위를 가진다. 해당 양자 상태는 외부 자기장을 인가함으로서 양자 결맞음(quantum coherence) 상태를 유지하며 제어될 수 있다. 즉, 외부 자기장 인가에 수반되는 양자 상태의 에너지 차이를 검출하는 전자 스핀 공명(ESR)은 이러한 양자 결맞음 특성을 연구할 수 있는 주요한 도구 중 하나이다. 본 논문에서는 표면 위 스핀 시스템에 특화된 전자 스핀 공명 장치 개발 과정을 다루고 있다. 표면 위 스핀 시스템은 큐비트(qubit) 구현의 잠재적인 모델 시스템 중 하나로, 큐비트의 성능을 평가하기 위해서는 스핀 시스템을 고체 기판에 통합하고 해당 표면과 전자의 상호작용을 규명하는 것이 중요하다. 따라서 표면 위 스핀 시스템을 구축할 수 있도록 초고진공(UHV) 챔버 내에서 CPW 공진기의 금속 표면 및 분자 박막을 구현하고 해당 시스템을 구성하는 금속 및 분자 박막의 특성을 분석하였다. 먼저, 사파이어 기판 위에 구리를 증착하여 CPW 공진기를 구현한 후 AFM을 이용하여 증착한 구리 필름의 두께, 평균 거칠기 등을 평가하였다. 나아가 BDPA와 DPPH 분자 박막 시료를 제작하여 ESR 신호를 측정하고 SEM과 STM을 통해 박막 시료 자체의 두께 및 형상을 관찰하였다. 이를 토대로 공진기 및 시료 제작 과정의 타당성을 확보함과 동시에 이를 최적화할 수 있었다.