Microwave transmission and dynamical response of three on-chip superconducting resonators coupled to the same molecular spin ensemble
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0044346Ключові слова:
spin-photon interaction, superconducting resonators, coherent coupling, molecular spin qubits, organic free radicalsАнотація
Досліджено одночасну взаємодію зразка, що складався з органічних вільних радикалів, які реалізують модель спіну-1/2 з квазіізотропним g-фактором ≈ 2, із трьома надпровід-ними резонаторами на зосереджених елементах з частотами ≈ 5.5 ГГц на одному чіпі. Кожен резонатор складається з гребінчастого конденсатора, з’єднаного паралельно з однодротовою котушкою індуктивності, що максимізує інтенсивність зв’язку спінів із магнітною складовою поля фотонів. Частоти резонаторів рознесено один відносно одного для забезпечення можливості індивідуального звернення до кожного з них. У цій трійці кожен резонатор має ємнісний зв’язок із найближчим сусідом та індуктивний зв’язок зі спільною лінією зчитування, причому лише на центральному резонаторі розміщено молекулярний осад. Характеристи-ки пристрою отримано за допомогою експериментів із проходження мікрохвильового випромінювання залежно від частоти (у діапазоні 5,3–5,7 ГГц) та магнітного поля (170–220 мТл) при наднизьких температурах (T ⋍13 мК). Резуль-тати свідчать про сильну локальну взаємодію спінів із центральним резонатором, що відповідає режиму когерентного зв’язку. Крім того, показано, що ті самі спіни також взаємодіють із модами віддалених резонаторів. Отримані дані про-аналізовано на основі теоретичної моделі, яка враховує як пряму спін-фотонну взаємодію, так і взаємодію, опосеред-ковану електричним колом. Запропонований підхід є простим і дієвим способом аналізу спінового резонансу речовин одночасно на декількох частотах. Окрім того, цей підхід дозволяє проєктувати кожен резонатор окремо для виконання специфічних функцій, наприклад, для оптимізованого керування або зчитування спінових станів, що є важливим для реалізації гібридних схем квантових обчислень на осно-ві молекулярних спінових кубітів.
Посилання
A. Blais, R.-S. Huang, A. Wallraff, S. M. Girvin, and R. J. Schoelkopf, Phys. Rev. A 69, 062320 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.69.062320
A. Blais, A. L. Grimsmo, S. M. Girvin, and A. Wallraff, Rev. Mod. Phys. 93, 025005 (2021). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.93.025005
A. Bienfait, J. J. Pla, Y. Kubo, M. Stern, X. Zhou, C. C. Lo, C. D. Weis, T. Schenkel, M. L. W. Thewalt, D. Vion, D. Esteve, B. Julsgaard, K. Mølmer, J. J. L. Morton, and P. Bertet, Nature Nanotech. 11, 253 (2016). https://doi.org/10.1038/nnano.2015.282
C. Eichler, A. J. Sigillito, S. A. Lyon, and J. R. Petta, Phys. Rev. Lett. 118, 037701 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.037701
S. Probst, A. Bienfait, P. Campagne-Ibarcq, J. J. Pla, B. Albanese, J. F. Da Silva Barbosa, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, K. Mølmer, J. J. L. Morton, R. Heeres, and P. Bertet, Appl. Phys. Lett. 111, 202604 (2017). https://doi.org/10.1063/1.5002540
S. Weichselbaumer, P. Natzkin, C. W. Zollitsch, M. Weiler, R. Gross, and H. Huebl, Phys. Rev. Appl. 12, 024021 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.024021
I. Gimeno, W. Kersten, M. C. Pallarés, P. Hermosilla, M. J. Martínez-Pérez, M. D. Jenkins, A. Angerer, C. Sánchez-Azqueta, D. Zueco, J. Majer, A. Lostao, and F. Luis, ACS Nano 14, 8707 (2020). https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03167
C. Bonizzoni, M. Maksutoglu, A. Ghirri, J. van Tol, B. Rameev, and M. Affronte, Appl. Magn. Reson. 54, 143 (2023). https://doi.org/10.1007/s00723-022-01505-8
Z. Wang, L. Balembois, M. Rančić, E. Billaud, M. Le Dantec, A. Ferrier, P. Goldner, S. Bertaina, T. Chanelière, D. Esteve, D. Vion, P. Bertet, and E. Flurin, Nature 619, 276 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06097-2
M. Rubín-Osanz, M. C. de Ory, I. Gimeno, D. Granados, D. Zueco, A. Gomez, and F. Luis, Low Temp. Phys. 50, 472 (2024) [Fiz. Nyzk. Temp. 50, 520 (2024)]. https://doi.org/10.1063/10.0026086
E. Billaud, L. Balembois, J. Travesedo, M. Le Dantec, M. Rančić, E. Albertinale, R. Truong, S. Bertaina, T. Chanelière, P. Goldner, D. Esteve, D. Vion, E. Flurin, and P. Bertet, Phys. Rev. Res. 7, 013011 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.013011
I. Gimeno, F. Luis, C. Marcuello, M. C. Pallarés, A. Lostao, M. C. de Ory, A. Gomez, D. Granados, I. Tejedor, E. Natividad, A. Urtizberea, and O. Roubeau, J. Phys. Chem. C 129, 973 (2025). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c07265
C. Marcuello, D. Rodriguez, M. C. Pallarés, D. Granados, O. Roubeau, F. Luis, A. Gomez, and A. Lostao, Nanoscale 18, 375 (2026). https://doi.org/10.1039/D5NR03119B
M. Rubín-Osanz, D. Rodriguez, I. Gimeno, W. Kersten, N. González-Prato, M. C. Pallarés, S. Roca-Jerat, M. C. de Ory, M. Mas-Torrent, J. A. de Sousa, L. Tesi, D. Granados, J. Veciana, D. Zueco, A. Lostao, J. Schmiedmayer, I. Ratera, J. van Slageren, N. Crivillers, A. Gomez, and F. Luis, Optimizing magnetic coupling in lumped element superconducting resonators for molecular spin qubits (2026), arXiv:2511.00857 [quantph].
D. I. Schuster, A. P. Sears, E. Ginossar, L. DiCarlo, L. Frunzio, J. J. L. Morton, H. Wu, G. A. D. Briggs, B. B. Buckley, D. D. Awschalom, and R. J. Schoelkopf, Phys. Rev. Lett. 105, 140501 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.140501
Y. Kubo, F. R. Ong, P. Bertet, D. Vion, V. Jacques, D. Zheng, A. Dréau, J.-F. Roch, A. Auffeves, F. Jelezko, J. Wrachtrup, M. F. Barthe, P. Bergonzo, and D. Esteve, Phys. Rev. Lett. 105, 140502 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.140502
R. Amsüss, C. Koller, T. Nöbauer, S. Putz, S. Rotter, K. Sandner, S. Schneider, M. Schramböc, G. Steinhauser, H. Ritsch, J. Schmiedmayer, and J. Majer, Phys. Rev. Lett. 107, 060502 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.060502
A. Ghirri, C. Bonizzoni, D. Gerace, S. Sanna, A. Cassinese, and M. Affronte, Appl. Phys. Lett. 106, 184101 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4920930
C. Bonizzoni, A. Ghirri, M. Atzori, L. Sorace, R. Sessoli, and A. Affronte, Sci. Rep. 7, 13096 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-13271-w
M. Mergenthaler, J. Liu, J. J. Le Roy, N. Ares, A. L. Thompson, L. Bogani, F. Luis, S. J. Blundell, T. Lancaster, A. Ardavan, G. A. D. Briggs, P. J. Leek, and E. A. Laird, Phys. Rev. Lett. 119, 147701 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.147701
H. Wu, R. E. George, J. H. Wesenberg, K. Mølmer, D. I. Schuster, R. J. Schoelkopf, K. M. Itoh, A. Ardavan, J. J. L. Morton, and G. A. D. Briggs, Phys. Rev. Lett. 105, 140503 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.140503
S. Lenz, D. König, D. Hunger, and J. van Slageren, Adv. Mater. 33, 2101673 (2021). https://doi.org/10.1002/adma.202101673
C. Bonizzoni, A. Ghirri, F. Santanni, and M. Affronte, NPJ Quantum Inf. 10, 41 (2024). https://doi.org/10.1038/s41534-024-00838-5
M. D. Jenkins, D. Zueco, O. Roubeau, G. Aromí, J. Majer, and F. Luis, Dalton Trans. 45, 16682 (2016). https://doi.org/10.1039/C6DT02664H
S. Carretta, D. Zueco, A. Gómez-León, and F. Luis, Appl. Phys. Lett. 118, 240501 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0053378
A. Chiesa, S. Roca, S. Chicco, M. C. de Ory, A. Gómez-León, A. Gómez, D. Zueco, F. Luis, and S. Carretta, J. Appl. Phys. 124, 194501 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5050869
C. Bonizzoni, F. Troiani, A. Ghirri, and M. Affronte, Phys. Rev. Appl. 19, 064060 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.064060
A. Gómez-León, F. Luis, and D. Zueco, Phys. Rev. Appl. 17, 064030 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.064030
Z. Chen, W. Qin, H. Ren, Z. Liu, K. Nemoto, W. J. Munro, Y. Mao, and J. Majer, A three-dimensional multimode lumped-element resonator for collective spin manipulation and dispersive readout (2026), arXiv:2601.05476.
V. Jouanny, L. Peyruchat, M. Scigliuzzo, A. Mercurio, E. D. Benedetto, D. D. Bernardis, D. Sbroggiò, S. Frasca, V. Savona, F. Ciccarello, and P. Scarlino, Superstrong dynamics and directional emission of a giant atom in a structured bath (2025), arXiv:2509.01579 [quant-ph].
C. del Río, M. Rubín-Osanz, D. Rodriguez, S. Roca-Jerat, M. C. Pallarés, J. A. de Sousa, P. Pakulski, J. L. García-Palacios, D. Granados, D. Pinkowicz, N. Crivillers, A. Lostao, D. Zueco, A. Gomez, and F. Luis, Polariton-polariton coherent coupling in a molecular spin-superconductor chip (2026), arXiv:2602.18103.
V. Rollano, M. C. de Ory, C. D. Buch, M. Rubín-Osanz, D. Zueco, C. Sánchez-Azqueta, A. Chiesa, D. Granados, S. Carretta, A. Gomez, S. Piligkos, and F. Luis, Commun. Phys. 5, 246 (2022). https://doi.org/10.1038/s42005-022-01017-8
O. Noroozian, P. K. Day, B. H. Eom, H. G. Leduc, and J. Zmuidzinas, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 60, 1235 (2012). https://doi.org/10.1109/TMTT.2012.2187538
P. Pakulski, M. Magott, S. Chorazy, M. Sarewicz, M. Srebro-Hooper, D. Tabor, L. Lapok, D. Szczepanik, S. Demir, and D. Pinkowicz, Chem. 10, 971 (2024). https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.12.024
C. Bonizzoni, A. Ghirri, S. Nakazawa, S. Nishida, K. Sato, T. Takui, and M. Affronte, Adv. Quantum Technol. 4, 2100039 (2021). https://doi.org/10.1002/qute.202100039
E. Merzbacher, Quantum Mechanics (Wiley, New York, 1998).
