[論文レビュー] A Quantum Electrodynamics Kondo Circuit with Orbital and Spin Entanglement

Guangwei Deng, Loïc Henriet+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超伝導マイクロ波共振器に結合されたグラフェン二重量子ドット（DQD）を実現し、電荷、スピン、軌道自由度がエンタングルされた量子電磁力学的Kondo回路を構築した。低温および電荷デゲネラシー点において、マイクロ波反射分光法によりKondoまたはアブリコソフ＝シュル共振の形成が観測され、ゲート電圧、バイアス、マイクロ波出力パワーの制御により完全な位相線図のマッピングが可能となった。

ABSTRACT

Recent progress in nanotechnology allows to engineer hybrid mesoscopic devices comprising on chip an artificial atom or quantum dot, capacitively coupled to a microwave (superconducting) resonator. These systems can then contribute to explore non-equilibrium quantum impurity physics with light and matter, by increasing the input power on the cavity and the bias voltage across the mesoscopic system. Here, we build such a prototype system where the artificial atom is a graphene double quantum dot (DQD). Controlling the coupling of the photon field and the charge states of the DQD, we measure the microwave reflection spectrum of the resonator. When the DQD is at the charge degeneracy points, experimental results are consistent with a Kondo impurity model entangling charge, spin and orbital degrees of freedom. The light reveals the formation of the Kondo or Abrikosov-Suhl resonance at low temperatures. We then study the complete phase diagram as a function of gate voltages, bias voltage and microwave input power.

研究の動機と目的

• 非平衡量子準位物理を研究するため、グラフェン二重量子ドット（DQD）と超伝導マイクロ波共振器を組み合わせたハイブリッドメソスコピックデバイスを設計すること。
• 強い光物質結合を用いて、Kondo的系における電荷、スピン、軌道自由度の相乗作用を調査すること。
• ゲート電圧、バイアス電圧、マイクロ波入力パワーを関数として、系の完全な位相線図をマッピングすること。
• マイクロ波反射分光法を用いて、Kondoまたはアブリコソフ＝シュル共振を実験的に観測・特徴づけること。

提案手法

• チップ上に人工原子としてのグラフェン二重量子ドット（DQD）を形成し、静電容量結合で超伝導マイクロ波共振器に接続する。
• ゲート電圧を印加してDQDをKondo物理学が顕在する電荷デゲネラシー点にチューニングする。
• 共振器のマイクロ波反射スペクトルを測定し、DQDのダイナミクスおよび光子場への結合をプローブする。
• バイアス電圧およびマイクロ波入力パワーを変化させ、非平衡状態にアクセスし、Kondo共振の進化を研究する。
• スペクトル応答を分析して、低温におけるKondoまたはアブリコソフ＝シュル共振の兆候を同定する。
• 共振器を高感度プローブとして用い、パラメータ空間における系の完全な位相線図をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン二重量子ドットとマイクロ波共振器の結合は、電荷、スピン、軌道自由度がエンタングルされた系におけるKondo物理学をどのように露わにするか？
• RQ2 低温におけるマイクロ波反射スペクトルに現れるKondoまたはアブリコソフ＝シュル共振の特徴は何か？
• RQ3 ゲート電圧、バイアス電圧、マイクロ波入力パワーの変化に伴い、系の位相線図はどのように変化するか？
• RQ4 共振器は、メソスコピックDQD系におけるKondo共振の形成を非破壊的に検出するプローブとして機能できるか？
• RQ5 このハイブリッド量子回路におけるKondo効果の出現に、軌道自由度とスピン自由度は果たすどのような役割を果たすか？

主な発見

• 電荷デゲネラシー点および低温条件下で、マイクロ波反射スペクトルに明確なKondoまたはアブリコソフ＝シュル共振の特徴が観測された。
• 観測された共鳴は、電荷、スピン、軌道自由度のエンタングルメントを含むKondo準位モデルと整合的である。
• ゲート電圧、バイアス電圧、マイクロ波入力パワーの範囲で、系の位相線図が実験的にマッピングされ、チューナブルなKondo挙動が明らかになった。
• 共振器の応答はDQDの多体状態に敏感であり、Kondo効果の非破壊的検出が可能となった。
• 特定のチューニング条件下でKondo共鳴が安定化し、DQDにおけるコherentな多体相関が示された。
• 本結果は、非平衡量子準位物理を研究する可能性を秘めた機能的な量子電磁力学的Kondo回路を実証した。