探测多晶与非晶氧化铝中数百个独立量子缺陷

量子二能级系统（TLSs）存在于量子比特的材料中，并被视为限制量子比特相干性的缺陷。对于超导量子比特，典型的约瑟夫森结势垒由非晶氧化铝构成，其宿主为 TLSs。然而，TLSs 在结构上或原子组成上 generally 未被理解。在本研究中，我们通过报道两种氧化铝类型——多晶 $\mathrm{\mathrm{\gamma-Al}_{2}\mathrm{O}_{3}}$ 与非晶 $\mathrm{a-Al}\mathrm{O_{x}}$——中的物理偶极矩，大幅扩展了关于 TLSs 的定量数据。为获得偶极矩 $p_z$（而非结构信息较少的耦合参数 g），我们利用外电场调谐单个 TLSs，以在腔 QED 系统中提取 TLSs 的 $p_z$。我们发现不同薄膜类型的偶极矩分布存在明显差异，表明 TLSs 结构有所不同。我们分析了多晶薄膜类型中约 400 个独立 TLSs 的大样本。其沿生长方向的偶极矩 $p_z$ 平均值为 2.6$\pm$0.3 德拜（D），标准差 $\sigma$ = 1.6$\pm$0.2 D。该材料分布很好地拟合为单高斯函数。我们分析了非晶薄膜中约 200 个独立 TLSs。其平均值 $p_z$ =4.6$\pm$0.5 D 与 $\sigma$ =2.5$\pm$0.3 D 均更大。非晶氧化铝还存在一些极大 $p_z$ > 8.6 D，而多晶氧化铝无此矩。这些大矩仅与基于氧的 TLS 模型相符。基于数据与候选模型（离域氧与基于氢的 TLSs），我们发现多晶氧化铝中基于氧与基于氢的 TLS 之比小于非晶氧化铝。