斗破苍穹

中国科大在硅基半导体量子芯片的自旋调控上取得重要进展

发(fa)布时间:2020-05-21

    我校郭光灿院士团队在硅基半导体锗纳米线量子芯片研究中取得重要进展。该团队郭国平、李海欧等人与中科院物理所张建军和本源量子计算有限公司合作,首次在硅基锗空穴量子点中实现朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控,对于该体系更好地实现自旋量子比特操控及寻找马约拉纳费米子有着重要的指导意义。研究成果以“Anisotropicg-factor and Spin-Orbit Field in a Germanium Hut Wire Double Quantum Dot”为题,发表在5月12日出版的国际纳米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

    近年(nian)来对自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)轨(gui)道耦合的(de)(de)(de)(de)研究一直是(shi)半(ban)导(dao)体量(liang)(liang)(liang)子(zi)计算和(he)拓扑量(liang)(liang)(liang)子(zi)计算研究的(de)(de)(de)(de)热(re)点(dian)。半(ban)导(dao)体材(cai)料(liao)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)轨(gui)道相(xiang)互作用能够使粒(li)子(zi)的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)与轨(gui)道这(zhei)(zhei)两个自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)由度(du)耦合在(zai)(zai)一起(qi),该机制(zhi)(zhi)在(zai)(zai)实现(xian)(xian)自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)电(dian)子(zi)学(xue)器件、自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特(te)操(cao)控(kong)及寻找马约拉纳费米子(zi)中(zhong)起(qi)着举足轻(qing)重的(de)(de)(de)(de)作用。在(zai)(zai)半(ban)导(dao)体自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特(te)操(cao)控(kong)研究中(zhong),现(xian)(xian)有的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特(te)的(de)(de)(de)(de)操(cao)控(kong)方式依赖于样(yang)品制(zhi)(zhi)备中(zhong)集成的(de)(de)(de)(de)微波天线或微磁体这(zhei)(zhei)些可(ke)(ke)以产生人造调制(zhi)(zhi)磁场的(de)(de)(de)(de)结(jie)构,这(zhei)(zhei)使得量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特(te)大(da)规模扩展(zhan)时(shi)在(zai)(zai)可(ke)(ke)寻址和(he)芯(xin)片结(jie)构制(zhi)(zhi)备方面受(shou)到制(zhi)(zhi)约。同时(shi),微磁体结(jie)构会使自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特(te)感受(shou)到更强的(de)(de)(de)(de)电(dian)荷(he)噪声,导(dao)致自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特(te)退(tui)相(xiang)干时(shi)间的(de)(de)(de)(de)降低。因此,一种可(ke)(ke)行的(de)(de)(de)(de)解决方案(an)是(shi)用材(cai)料(liao)中(zhong)存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)轨(gui)道耦合来实现(xian)(xian)全电(dian)学(xue)的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特(te)操(cao)控(kong)。

具体对(dui)于一(yi)维硅基锗纳米线空穴(xue)量(liang)子(zi)(zi)点而(er)言,由(you)于空穴(xue)载流子(zi)(zi)体系中本(ben)身存在(zai)着(zhe)很(hen)强(qiang)的(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)耦(ou)(ou)合,我(wo)们可以利(li)(li)用(yong)电(dian)偶(ou)极(ji)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)共(gong)振技术(shu),通(tong)过(guo)(guo)施加交(jiao)变电(dian)场(chang)实现对(dui)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)量(liang)子(zi)(zi)比(bi)(bi)特(te)的(de)(de)(de)全电(dian)学控(kong)(kong)制,大大简化(hua)了量(liang)子(zi)(zi)比(bi)(bi)特(te)的(de)(de)(de)制备工(gong)艺,有利(li)(li)于实现硅基量(liang)子(zi)(zi)计算自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)比(bi)(bi)特(te)单元的(de)(de)(de)二(er)维扩(kuo)展。在(zai)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)耦(ou)(ou)合的(de)(de)(de)电(dian)偶(ou)极(ji)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)共(gong)振操(cao)控(kong)(kong)方式下,比(bi)(bi)特(te)的(de)(de)(de)操(cao)控(kong)(kong)速(su)率(lv)与(yu)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)耦(ou)(ou)合强(qiang)度(du)(du)成正比(bi)(bi),因此(ci)我(wo)们可以通(tong)过(guo)(guo)改变外(wai)加电(dian)场(chang)的(de)(de)(de)方式来增强(qiang)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)耦(ou)(ou)合强(qiang)度(du)(du)从而(er)实现更快的(de)(de)(de)比(bi)(bi)特(te)操(cao)控(kong)(kong)速(su)率(lv)。除此(ci)之外(wai),自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)耦(ou)(ou)合场(chang)的(de)(de)(de)方向也会影响(xiang)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)量(liang)子(zi)(zi)比(bi)(bi)特(te)的(de)(de)(de)操(cao)控(kong)(kong)速(su)率(lv)以及比(bi)(bi)特(te)初始(shi)化(hua)与(yu)读取(qu)的(de)(de)(de)保(bao)真(zhen)度(du)(du),因此(ci)在(zai)利(li)(li)用(yong)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)耦(ou)(ou)合实现自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)量(liang)子(zi)(zi)比(bi)(bi)特(te)操(cao)控(kong)(kong)时(shi),确定和调控(kong)(kong)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)耦(ou)(ou)合场(chang)的(de)(de)(de)方向显得尤为重(zhong)要。

图1. 硅基锗纳米线空穴双量子点中g因子张量及自旋轨道耦合场方向。

    李海欧、郭国平等人在(zai)(zai)制(zhi)备的(de)(de)(de)(de)(de)高质量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)硅基锗空穴(xue)载流子双量(liang)(liang)(liang)子点中观察到了自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)阻塞效应,并(bing)在(zai)(zai)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)阻塞区域测量(liang)(liang)(liang)了由(you)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)弛豫引起(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)漏电(dian)(dian)流大(da)(da)小随(sui)磁场(chang)大(da)(da)小及磁场(chang)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)变化关系(xi)(xi)(xi)(xi),通(tong)过理(li)论分析,研究人员得(de)到了该体(ti)系(xi)(xi)(xi)(xi)具有(you)强各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)异性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)g因子张量(liang)(liang)(liang),同(tong)时确定了自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)耦(ou)(ou)合场(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)于(yu)锗纳(na)米(mi)(mi)线(xian)(xian)衬底面内并(bing)与(yu)锗纳(na)米(mi)(mi)线(xian)(xian)方向(xiang)(xiang)(xiang)成59°,说明体(ti)系(xi)(xi)(xi)(xi)中除了存(cun)在(zai)(zai)垂直于(yu)锗纳(na)米(mi)(mi)线(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)Rashba自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)耦(ou)(ou)合,还存(cun)在(zai)(zai)着(zhe)沿着(zhe)纳(na)米(mi)(mi)线(xian)(xian)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)能(neng)是由(you)界面不对称性(xing)引起(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)Dresselhaus自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)耦(ou)(ou)合。我们可(ke)以(yi)通(tong)过改(gai)变纳(na)米(mi)(mi)线(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)生长(zhang)方向(xiang)(xiang)(xiang)使得(de)上(shang)述两种自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)耦(ou)(ou)合方向(xiang)(xiang)(xiang)相反大(da)(da)小相等,从而实(shi)现(xian)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)耦(ou)(ou)合的(de)(de)(de)(de)(de)开(kai)关,当体(ti)系(xi)(xi)(xi)(xi)处于(yu)“sweet spot”(即自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)耦(ou)(ou)合完(wan)全(quan)关闭)时,由(you)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)轨(gui)(gui)道(dao)(dao)耦(ou)(ou)合引起(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)退相干(gan)过程会(hui)大(da)(da)幅(fu)度地(di)被抑制(zhi),自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)量(liang)(liang)(liang)子比(bi)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)退相干(gan)时间会(hui)得(de)到有(you)效地(di)延长(zhang)。这一发现(xian)对该体(ti)系(xi)(xi)(xi)(xi)在(zai)(zai)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)量(liang)(liang)(liang)子比(bi)特(te)制(zhi)备与(yu)操控研究中,在(zai)(zai)保持超快(kuai)比(bi)特(te)操控速率的(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)时进一步延长(zhang)比(bi)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)退相干(gan)时间提供了新的(de)(de)(de)(de)(de)思路,为全(quan)电(dian)(dian)控规模化硅基自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)量(liang)(liang)(liang)子比(bi)特(te)芯片(pian)研究奠定了物(wu)理(li)基础。

    中科(ke)院量(liang)子(zi)信息重点实验室郭国(guo)(guo)平(ping)教(jiao)授、李海欧研究员(yuan)为论文共(gong)同(tong)(tong)通(tong)讯作(zuo)者,中科(ke)院量(liang)子(zi)信息重点实验室博士生张庭、刘赫以(yi)及中科(ke)院物理研究所博士后高飞为论文共(gong)同(tong)(tong)第一作(zuo)者。该工(gong)作(zuo)得(de)到了(le)科(ke)技部、国(guo)(guo)家(jia)基金委、中国(guo)(guo)科(ke)学院、安徽(hui)省以(yi)及中国(guo)(guo)科(ke)学技术大学的资助。

论文链接(jie):


xml地图 | sitemap地图
看你看我
分享到:QQ空间新浪微博腾讯微博人人网微信
速度与激情9百炼成钢 穿越火线 女生创建救命文档 吴亦凡范丞丞合影 王源 王俊凯 天天向上 冒险岛 奇葩说 哥斯拉大战金刚 台风尼伯特生成 爱情公寓开门大吉 千古玦尘 天生一对绝地求生 甄嬛传 欧冠 李敏镐95岁女王自驾看展 张飞 如棋 坦克世界 风犬少年的天空 阴阳师奔驰 奥运开幕式生变故 月光变奏曲 本田肖战 王者荣耀 两小无猜 nba总决赛 唐人街探案3大决战 你的婚礼 寂静之地2 英雄联盟 最强狂兵 三国演义 名侦探柯南 泰拉瑞亚 自费40万环游世界 热爱就一起 路虎赵丽颖 奔跑吧兄弟 路虎赵丽颖 生僻字 只是太爱你 植物大战僵尸 帝霸 冒险岛 寻情记 郭晶晶为冠军拍照 大赢家 上古 还来得及 德甲 海报 欢乐斗地主 让我好好看看你 夜宴 | 下一页
Baidu
sogou
百度 搜狗 360