[論文レビュー] Acoustic Traps and Lattices for Electrons in Semiconductors

Martin J. A. Schuetz, Johannes Knoerzer+4 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2017

Neural Networks and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、表面弾道波（SAWs）を用いた固体状態プラットフォームを提案し、半導体内の電子をトラップ・制御可能な可変式で静的な音響格子を生成する。摂動的フロケ理論を活用することで、急速に振動するSAW誘発ポテンシャルが、再構成可能な間隔（約100 nm）の時間に依存しない擬似格子を有効に形成できることを示し、低温下で強い電子相関を示すフェルミ粒子 Hubbard モデルのシミュレーションが可能になる。量子シミュレーションおよび制御の可能性を秘めている。

ABSTRACT

We propose and analyze a solid-state platform based on surface acoustic waves (SAWs) for trapping, cooling and controlling (charged) particles, as well as the simulation of quantum many-body systems. We develop a general theoretical framework demonstrating the emergence of effective time-independent acoustic trapping potentials for particles in two- or one-dimensional structures. As our main example we discuss in detail the generation and applications of a stationary, but movable acoustic pseudo-lattice (AL) with lattice parameters that are reconfigurable in situ. We identify the relevant figures of merit, discuss potential experimental platforms for a faithful implementation of such an acoustic lattice, and provide estimates for typical system parameters. With a projected lattice spacing on the scale of 100nm, this approach allows for relatively large energy scales in the realization of fermionic Hubbard models, with the ultimate prospect of entering the low temperature, strong interaction regime. Experimental imperfections as well as read-out schemes are discussed.

研究の動機と目的

• 表面弾道波（SAWs）を用いたスケーラブルでオンチップ型の固体状態系における電子のトラップ・制御プラットフォームの開発。
• 既存の量子ドットおよび光学格子手法の限界を克服し、半導体内で再構成可能で低温下の量子シミュレーションを実現すること。
• 理論的枠組みを用いて、時間周期的 SAW ポテンシャルから時間に依存しない有効な音響擬似格子がどのように出現するかを示すこと。
• 固体状態環境下で、チューナブルな局所的反発力および格子パラメータを有するフェルミ粒子 Hubbard モデルの実現を可能にすること。

提案手法

• 圧電基板上に配置されたインターディジタルトランスデューサ（IDTs）により発生する逆向きの SAW を用い、2DEG 内の電子に周期的で時間に依存する電界ポテンシャルを生成する。
• 摂動的フロケ理論を適用し、電子の安定したトラップポテンシャルを記述する有効な時間に依存しないハミルトニアンを導出する。
• 電子の運動が急速に振動するポテンシャルにおいて断熱的に抑制されることを示し、ポテンシャルの極小点での有効な局在化を実現する。
• マチエ型の安定性解析を用いて、電子の閉じ込めを保証し、RF駆動による加熱を回避する。
• 局所的加熱を最小限に抑えるために、IDT をトラップ中心から離れた位置に配置する実験的構成を提案する。
• スクリーニング層を導入することで、電子間のクーロン相互作用を調整し、多体シミュレーションにおける相互作用強度の制御を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面弾道波が時間周期的であるにもかかわらず、半導体内の電子に対して安定で時間に依存しない有効ポテンシャルを生成できるか？
• RQ2 再構成可能な音響擬似格子（約100 nm 間隔）を形成するための主要な物理的条件および系パラメータは何か？
• RQ3 RF駆動によるIDTからの加熱をどのように低減すれば、低温動作および量子コherenecの維持が可能になるか？
• RQ4 ハイパーファイン相互作用に起因する電子スピンのデコherence は、この系でどの程度抑制可能か？
• RQ5 このプラットフォームは、チューナブルな局所的反発力および hopping を有する強い相関を示すフェルミ粒子 Hubbard モデルをシミュレートできるか？

主な発見

• SAW 周波数が十分に高い場合、電子の有効ポテンシャルは時間に依存しなくなり、フロケに基づく有効ハミルトニアンにより安定なトラップが可能になる。
• SAW 周波数が約20 GHz である場合、格子間隔が約100 nm の再構成可能な音響擬似格子を実現でき、大きなエネルギースケールにアクセス可能になる。
• RF 力率が低め（≤ -10 dBm、すなわち 0.1 mW）で動作するため、加熱が最小限に抑えられ、100 mK でのドライバーション冷蔵機器との互換性が保証される。
• ガリウムヒ素（GaAs）では核スピンによるデコherence が電子スピンコherenec を約15 ns まで短くするが、これがコherent スピン交換率が 1/T₂* を超える場合、抑制可能であることが示された。この条件は達成可能であることが確認された。
• 28Si/SiGe ハイブリッド構造のような核スピンのない系では、電子スピンコherenec 時間が100 µs を超えることが可能となり、量子シミュレーションの可能性が著しく向上する。
• パルス駆動方式の採用および遠隔に配置されたIDTの利用により、局所的加熱がさらに抑制され、関連する実験的時間スケールで効果的な温度制御が可能になる。