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 (1/f) flux noise.

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
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.