Optimization of the surface morphology of copper/sapphire microstrip resonators for the detection of molecular spin qubit ultrathin films

Abstract

Understanding the spin coherence properties on surface-adsorbed spins is crucial for realization of quantum devices. In order to characterize the surface adsorbed spins, electron spin resonance (ESR) technique is utilized. Our home-built surface sensitive (ESR) spectrometer allows us to investigate the surface-adsorbed spins therefore, we can explore novel molecular and atomic spin qubits and their interaction with the supporting substrate. In my master project, I contributed to develop a Cu/sapphire microstrip type resonator and characterize the molecular films on top of its surface. As the investigation for surface-adsorbed spin requires clean and atomically flat surfaces, various deposition and thermal treatment procedures are required to improve the quality of the sapphire substrate and Cu films. Using atomic force microscopy (AFM) and low energy electron diffraction (LEED) I demonstrated that these procedures improved the quality of Cu surface in terms of roughness and crystallinity, allowing one to obtain Cu film with a single crystal-like (111) surface. By measuring ESR spectrum of raw powder and various thicknesses of YPc2, I demonstrated that our resonator is capable of sub-monolayer detection at 10 K with sensitivity of 7.65 x 1010 spins / √𝐻𝑧 ∙ 𝐺. This result will allow us to manipulate quantum coherence properties of atoms or molecules on surface.;양자 장치의 구현을 위해서는 표면위에 흡착된 스핀의 양자 결맞음 (quantum coherence) 특성에 대한 이해가 필요하다. 표면에 흡착된 스핀의 특성을 연구하기 위해 전자 스핀 공명 (ESR) 기술을 사용했고, 자체개발한 표면 민감 전자 스핀 공명 분광기를 통해 새로운 분자 및 원자 스핀 큐비트와 그 표면과의 상호 작용을 탐구하고자 했다. 본 연구에서는 사파이어 기판 위의 구리를 증착 시킨 마이크로 스트립 형식의 공진기를 개발했고 표면 위의 분자 필름의 특성을 분석했다. 표면 흡착 스핀의 연구를 위해서는 원자 단위의 평평하고 깨끗한 표면을 필요로 하기 때문에 사파이어 기판과 구리 필름의 품질을 향상시키기 위해 다양한 증착 및 열 처리 과정을 구현했다. 이러한 과정들이 표면의 거칠기와 결정성 측면에서 표면의 품질을 향상시킴을 원자 힘 현미경 (AFM) 과 저 에너지 전자 회절(LEED) 측정을 통해 확인했고, 단결정 (111) 표면을 가진 구리 필름을 기를 수있음을 증명했다. 이후 YPc2 분자 파우더와 다양한 두께의 증착 필름의 전자 스핀 공명 스펙트럼을 측정함으로써, 실험에 사용한 공진기가 7.22 x 1010 spins / √𝐻𝑧 ∙ 𝐺 의 감도를 가지고 있음을 확인했고 10 켈빈 온도의 저온에서 하위 단층의 측정이 가능하다는 것을 증명했다. 이 결과는 해당 장비를 통해 표면위의 원자나 분자의 양자 결맞음 상태의 제어가 가능할 것임을 보여준다.