We report on electron spin resonance spectroscopy measurements using a superconducting flux qubit with a sensing volume of 6 fl. The qubit is read out using a frequency-tunable Josephson bifurcation amplifier, which leads to an inferred measurement sensitivity of about 20 spins in a 1 s measurement. This sensitivity represents an order of magnitude improvement when compared to flux-qubit schemes using a direct current-superconducting quantum interference device switching readout. Furthermore, noise spectroscopy reveals that the sensitivity is limited by flicker () flux noise.
References
1.
V.
Ranjan
, S.
Probst
, B.
Albanese
, T.
Schenkel
, D.
Vion
, D.
Esteve
, J.
Morton
, and P.
Bertet
, arXiv:2002.03669 (2020
).2.
A.
Bienfait
, P.
Campagne-Ibarcq
, A. H.
Kiilerich
, X.
Zhou
, S.
Probst
, J. J.
Pla
, T.
Schenkel
, D.
Vion
, D.
Esteve
, J. J. L.
Morton
, K.
Moelmer
, and P.
Bertet
, Phys. Rev. X
7
, 041011
(2017
).3.
Y.
Wiemann
, J.
Simmendinger
, C.
Clauss
, L.
Bogani
, D.
Bothner
, D.
Koelle
, R.
Kleiner
, M.
Dressel
, and M.
Scheffler
, Appl. Phys. Lett.
106
, 193505
(2015
).4.
Y.-H.
Chen
, X.
Fernandez-Gonzalvo
, S. P.
Horvath
, J. V.
Rakonjac
, and J. J.
Longdell
, Phys. Rev. B
97
, 024419
(2018
).5.
H.
Toida
, Y.
Matsuzaki
, K.
Kakuyanagi
, X.
Zhu
, W. J.
Munro
, K.
Nemoto
, H.
Yamaguchi
, and S.
Saito
, Appl. Phys. Lett.
108
, 052601
(2016
).6.
G.
Yue
, L.
Chen
, J.
Barreda
, V.
Bevara
, L.
Hu
, L.
Wu
, Z.
Wang
, P.
Andrei
, S.
Bertaina
, and I.
Chiorescu
, Appl. Phys. Lett.
111
, 202601
(2017
).7.
R. P.
Budoyo
, K.
Kakuyanagi
, H.
Toida
, Y.
Matsuzaki
, W. J.
Munro
, H.
Yamaguchi
, and S.
Saito
, Phys. Rev. Mater.
2
, 011403
(2018
).8.
M.
Bal
, C.
Deng
, J.-L.
Orgiazzi
, F. R.
Ong
, and A.
Lupascu
, Nat. Commun.
3
, 1324
(2012
).9.
H.
Toida
, Y.
Matsuzaki
, K.
Kakuyanagi
, X.
Zhu
, W. J.
Munro
, H.
Yamaguchi
, and S.
Saito
, Commun. Phys.
2
, 33
(2019
).10.
A.
Lupaşcu
, E. F. C.
Driessen
, L.
Roschier
, C. J. P. M.
Harmans
, and J. E.
Mooij
, Phys. Rev. Lett.
96
, 127003
(2006
).11.
R.
Vijay
, M. H.
Devoret
, and I.
Siddiqi
, Rev. Sci. Instrum.
80
, 111101
(2009
).12.
S.
Probst
, A.
Bienfait
, P.
Campagne-Ibarcq
, J. J.
Pla
, B.
Albanese
, J. F. D. S.
Barbosa
, T.
Schenkel
, D.
Vion
, D.
Esteve
, K.
Mølmer
, J. J. L.
Morton
, R.
Heeres
, and P.
Bertet
, Appl. Phys. Lett.
111
, 202604
(2017
).13.
K.
Kakuyanagi
, T.
Baba
, Y.
Matsuzaki
, H.
Nakano
, S.
Saito
, and K.
Semba
, New J. Phys.
17
, 063035
(2015
).14.
S.
Stoll
and A.
Schweiger
, J. Magn. Reson.
178
, 42
(2006
).15.
R. P.
Budoyo
, K.
Kakuyanagi
, H.
Toida
, Y.
Matsuzaki
, W. J.
Munro
, H.
Yamaguchi
, and S.
Saito
, Appl. Phys. Express
11
, 043002
(2018
).16.
A.
Abragam
and B.
Bleaney
, Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions
(Oxford University Press
, Oxford
, 1970
).17.
O.
Guillot-Noël
, P.
Goldner
, Y. L.
Du
, E.
Baldit
, P.
Monnier
, and K.
Bencheikh
, Phys. Rev. B
74
, 214409
(2006
).18.
S. P.
Horvath
, J. V.
Rakonjac
, Y.-H.
Chen
, J. J.
Longdell
, P.
Goldner
, J.-P. R.
Wells
, and M. F.
Reid
, Phys. Rev. Lett.
123
, 057401
(2019
).19.
D. L.
McAuslan
, J. G.
Bartholomew
, M. J.
Sellars
, and J. J.
Longdell
, Phys. Rev. A
85
, 032339
(2012
).20.
D.
Marcos
, M.
Wubs
, J. M.
Taylor
, R.
Aguado
, M. D.
Lukin
, and A. S.
Sørensen
, Phys. Rev. Lett.
105
, 210501
(2010
).21.
F. C.
Wellstood
, C.
Urbina
, and J.
Clarke
, Appl. Phys. Lett.
50
, 772
(1987
).22.
S. M.
Anton
, J. S.
Birenbaum
, S. R.
O'Kelley
, V.
Bolkhovsky
, D. A.
Braje
, G.
Fitch
, M.
Neeley
, G. C.
Hilton
, H.-M.
Cho
, K. D.
Irwin
, F. C.
Wellstood
, W. D.
Oliver
, A.
Shnirman
, and J.
Clarke
, Phys. Rev. Lett.
110
, 147002
(2013
).23.
P.
Kumar
, S.
Sendelbach
, M. A.
Beck
, J. W.
Freeland
, Z.
Wang
, H.
Wang
, C. C.
Yu
, R. Q.
Wu
, D. P.
Pappas
, and R.
McDermott
, Phys. Rev. Appl.
6
, 041001
(2016
).24.
F.
Yoshihara
, K.
Harrabi
, A. O.
Niskanen
, Y.
Nakamura
, and J. S.
Tsai
, Phys. Rev. Lett.
97
, 167001
(2006
).25.
R. C.
Bialczak
, R.
McDermott
, M.
Ansmann
, M.
Hofheinz
, N.
Katz
, E.
Lucero
, M.
Neeley
, A. D.
O'Connell
, H.
Wang
, A. N.
Cleland
, and J. M.
Martinis
, Phys. Rev. Lett.
99
, 187006
(2007
).26.
J.
Bylander
, S.
Gustavsson
, F.
Yan
, F.
Yoshihara
, K.
Harrabi
, G.
Fitch
, D. G.
Cory
, Y.
Nakamura
, J.-S.
Tsai
, and W. D.
Oliver
, Nat. Phys.
7
, 565
(2011
).27.
E. J.
McDowell
, J.
Ren
, and C.
Yang
, Opt. Express
16
, 6822
(2008
).28.
F.
Yan
, J.
Bylander
, S.
Gustavsson
, F.
Yoshihara
, K.
Harrabi
, D. G.
Cory
, T. P.
Orlando
, Y.
Nakamura
, J.-S.
Tsai
, and W. D.
Oliver
, Phys. Rev. B
85
, 174521
(2012
).29.
F.
Yan
, S.
Gustavsson
, J.
Bylander
, X.
Jin
, F.
Yoshihara
, D. G.
Cory
, Y.
Nakamura
, T. P.
Orlando
, and W. D.
Oliver
, Nat. Commun.
4
, 2337
(2013
).30.
S.
Sendelbach
, D.
Hover
, A.
Kittel
, M.
Mück
, J. M.
Martinis
, and R.
McDermott
, Phys. Rev. Lett.
100
, 227006
(2008
).31.
S. E.
de Graaf
, A. A.
Adamyan
, T.
Lindström
, D.
Erts
, S. E.
Kubatkin
, A. Y.
Tzalenchuk
, and A. V.
Danilov
, Phys. Rev. Lett.
118
, 057703
(2017
).32.
M.
Stern
, G.
Catelani
, Y.
Kubo
, C.
Grezes
, A.
Bienfait
, D.
Vion
, D.
Esteve
, and P.
Bertet
, Phys. Rev. Lett.
113
, 123601
(2014
).33.
F.
Yan
, S.
Gustavsson
, A.
Kamal
, J.
Birenbaum
, A. P.
Sears
, D.
Hover
, T. J.
Gudmundsen
, D.
Rosenberg
, G.
Samach
, S.
Weber
, J. L.
Yoder
, T. P.
Orlando
, J.
Clarke
, A. J.
Kerman
, and W. D.
Oliver
, Nat. Commun.
7
, 12964
(2016
).34.
L. V.
Abdurakhimov
, I.
Mahboob
, H.
Toida
, K.
Kakuyanagi
, and S.
Saito
, Appl. Phys. Lett.
115
, 262601
(2019
).35.
Z. R.
Lin
, K.
Inomata
, W. D.
Oliver
, K.
Koshino
, Y.
Nakamura
, J. S.
Tsai
, and T.
Yamamoto
, Appl. Phys. Lett.
103
, 132602
(2013
).© 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.