Development of a surface-sensitive electron spin resonance setup and measurements of molecular spin qubits

Abstract

큐빗 (qubit)의 핵심 요소는 소위 결맞음 시간 (T2)로, 양자 시스템을 위상의 변화 없이 중첩 상태로 유지할 수 있는 시간을 의미한다. 지난 몇 년간 진행된 연구는 상온에서도 긴 T2을 가지는 분자 구조의 전자 스핀들이 큐빗을 실현할 수 있는 잠재적 후보라는 것을 밝혀냈다. 석사 과정에서 표면 민감 전자 스핀 공명 (ESR) 장치를 개발하여, 분자 스핀 큐빗으로 기능할 수 있는 분자의 자기와 양자 특성을 조사했다. 분자 스핀 큐빗을 활용한 장치를 실현하기 위해서는, 분자와 기판의 상호작용에 의한 섭동을 토대로 기판 위에 놓인 분자의 특성에 대한 이해가 필요하다. 이를 위해, 표면에 특화된 표면 민감 전자 스핀 공명 장치가 유용하게 쓰일 수 있다. 또한, 표면 민감 전자 스핀 공명 장치는 넓은 범위의 온도에서 작동될 수 있으며, 분자와 기판의 조합의 다양성을 제공한다. 또한, 연속파와 펄스 전자 스핀 공명 측정을 모두 수행하기 위해 CPW 공명기를 구현했다. 공명기는 펄스 측정에서 약 7.9 MHz의 Rabi rate를 보여주는데, 이는 교류 자기장 B1 ~ 2.8 G에 해당되며 자기장 B1 스핀의 앙상블의 ESR을 적용시키기에 충분한 값이다. 또한 preparation 챔버를 설계하여 분자의 박막 샘플을 준비하는데 사용했다. α,γ-Bisdiphenylene-β-phenylallyl (BDPA) 와 Vanadyl Phthalocyanine (VOPc)는 하나의 핵으로 구성된 금속 유기 복합체로, 이 두 분자의 전자 스핀의 자기 및 양자 특성을 조사했다. 그리고 CW ESR 측정으로 전자 스핀에 대한 리간드 환경의 영향과 펄스 ESR 측정으로 스핀의 동적 및 양자 결맞음 특성을 정량화 했다. 폴리스티렌에 희석된 BDPA 0.1wt % 고체 화합물은 X-밴드(10 GHz)에서는 측정불가한 초미세작용으로 인해 선 폭이 6.9 G이었으며, 상온에서 결맞음 시간이 대략 0.75 μs이었다. 그에 반해, 희석되지 않은 BDPA 박막은 전자 스핀들의 상호 작용으로 인해 희석된 샘플보다 폭이 좁은 2.2 G의 얇은 선 폭을 가져, 스핀 감도를 추정하는 데 사용되었다. 표면 민감 전자 스핀 공명 장치의 스핀 감도는 약 2.5〖 ×10〗^12 spins/√Hz∙G로, 측정 시 5초 미만의 값으로 통합할 경우 단일 분자층을 검출하기에 충분한 값이다. 그리고 Titadyl Phthalocyanine (TiOPc) 분자에 VOPc 분자를 1:10 및 1:1000 비율로 희석시켜 고체화합물을 제작했다. 두 고체화합물의 시뮬레이션을 통해 얻은 가장 적합한 매개변수는 상업용 기기로 얻은 결과와 3% 이내의 차이로, 이는 우리가 만든 표면 민감 전자 스핀 공명 장치에 대한 신뢰성을 나타낸다. 또한, 10K에서 수행한 펄스 ESR 측정에서 2.7 μs의 긴 결맞음 시간을 얻었으며, 이는 VOPc 분자의 전자 스핀들이 큐빗으로 활용될 가능성을 보여주었다. ;The key parameter for a qubit is the so-called coherence time (T2), which determines how long a quantum system can be kept in a superposition state without experiencing dephasing events. Over the last several years, research has revealed that electron spins in molecular structures are potential candidates to realize nanometer-size qubits with long T2 even at room temperature (RT). During my project, I contributed to the development of a surface-sensitive electron spin resonance (ESR) setup to investigate the magnetic and quantum properties of molecules that can potentially function as molecular spin qubits. The surface-sensitive ESR setup can be a useful tool to understand how the properties of molecules are perturbed when adsorbed on a substrate, which is a crucial step to realize integrated molecular devices. Moreover, it can operate in a wide range of temperatures, so as to provide a fast exploration of molecule and substrate combinations. We realized a coplanar waveguide (CPW) resonator to perform both continuous wave (CW) and pulsed ESR measurements. In pulsed measurements, our resonator shows a Rabi rate of about 7.9 MHz corresponding to the oscillating magnetic field B1 ~ 2.8 G. The well-resolved Rabi oscillations also indicate sufficient homogeneity of the magnetic B1, which is required to drive ESR transitions in ensembles of spins. Furthermore, we designed a preparation chamber and used it to prepare molecular thin films samples. To test the sensitivity of two-dimensional (2D) spin distributions, we investigated the magnetic and quantum properties of electron spins in organic radicals in α,γ-Bisdiphenylene-β-phenylallyl (BDPA) and Vanadyl Phthalocyanine (VOPc), mononuclear metal-organic complexes. We quantified the effects of the ligand environment on the electron spins by CW ESR measurements, and the dynamic and quantum coherent properties of the spins by pulsed ESR measurement. The BDPA 0.1wt % in polystyrene solid compound shows 6.9 G of linewidth in X-band (10 GHz) and T2 ~ 0.75 μs at RT. The width of the ESR line originates from the unresolved hyperfine interaction with neighboring proton. In contrast, the concentrated BDPA thin film shows 2.2 G of linewidth that is narrower than the diluted sample because exchange interaction and was used to estimate the spin sensitivity of our ESR setup, which is about 2.5〖 ×10〗^12 spins/√Hz∙G. This sensitivity is sufficient to detect a single molecular layer at RT with reasonable integration times (less than 5 seconds). We also characterized VOPc molecules diluted in a TiOPc molecular matrix in 1: 10 and 1: 1000 ratio for the solid compound. The best-fit parameters of both solid compounds by simulation indicate that our spectrometer provides reliable results that deviates only by a few percent from the commercial spectrometers. Furthermore, our pulsed ESR measurements conducted at 10 K reveal a long coherence time of T2 ~ 2.7 μs, which confirms the potential of these molecules as molecular spin qubits.