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基于锗纳米线量子点的空穴自旋及其复合结构研究

徐刚  
【摘要】:对基于量子点自旋量子比特的半导体量子计算来说,具有长的量子比特相干时间和能够对比特自旋态进行快速操控是两个关键条件。因此,寻找满足上述条件的合适平台已经变得越来越重要。在Ⅳ族半导体中,硅和锗具有核自旋为零的稳定同位素,纯化后的材料由于其较弱的超精细相互作用,使得电子自旋比特具有较长的相干时间。但是,在硅量子点体系中要实现对电子自旋比特的操控,就必须在量子点器件上集成额外组件,例如微型磁体或者微波条带线。这些集成组件使此类器件的制造工艺复杂化,不利于多比特的扩展。相比于电子自旋,锗量子点体系中的空穴载流子由于P轨道而具有更弱的超精细相互作用和更强的自旋轨道耦合,不需要集成额外的组件就可以实现对自旋比特的快速全电操控。因此,锗空穴量子点是一个非常理想的自旋量子比特平台。本论文主要对基于棚顶型锗纳米线的空穴型量子点进行实验研究,主要内容包括:1.介绍了锗空穴材料体系的研究背景和目前取得的一些研究进展,以及半导体量子点中空穴自旋和腔量子电动力学的物理概念。2.详细地描述了棚顶型锗纳米线量子点器件的制备工艺,介绍了微纳加工相关的仪器设备及低温测量平台,给出了量子点的性质表征方法并评估了锗纳米线的迁移率。3.在棚顶型锗纳米线上制备了耦合高度可调的双量子点,并观测到了自旋阻塞现象。在自旋阻塞区域,通过分析漏电流随磁场的演化,证实了锗纳米线体系中有着很强的自旋轨道耦合。在实验上观测到了多种耦合模式的电偶极自旋共振谱线,并进一步实现了空穴自旋量子比特的超快操控。4.实现了棚顶型锗纳米线空穴型双量子点和超导微波腔的偶极耦合。利用微波腔实现了对双量子点中电荷态的探测,实现了可调的隧穿率和提取了电荷比特的退相干率。提取了空穴-腔的耦合强度并进一步评估了在单量子点和双量子点中空穴自旋-光子的耦合强度。5.介绍了新型定位型锗纳米线材料,基于两根相邻平行的纳米线制备了集成电荷感应器的双量子点器件,并利用电荷感应器对双量子点的电荷态进行探测,对多量子比特扩展结构进行了探索。本文的主要创新点包括:1.实验上首次制备了耦合可调的锗纳米线双量子点,测量提取了其自旋轨道耦合强度tso-38±4 μeV并评估了自旋轨道耦合长度lso~40-100nm。2.实验上首次观测到多种模式的电偶极自旋共振谱线并对其能谱进行分析。3.表征了空穴自旋单比特并得到了最快的Rabi频率fR~698±2MHz。4.首次实现了锗纳米线空穴型双量子点与超导微波腔耦合,耦合强度gc/2π~15 MHz。5.基于定位型锗纳米线首次实现了双量子点与其邻近的电荷感应器的电容耦合,探索了多量子点扩展的可行性。


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