[論文レビュー] Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots

Muhammad Haider, Jason Pitters+4 more|ArXiv.org|Jul 3, 2008

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Si(001)表面に存在する不結合結合を用いて、シリコン原子量力学的量子ドットにおける制御された結合と電子占有状態を示している。走査トンネル顕微鏡（STM）と静電的ゲート制御を用いて、2 nm未満の間隔で分離された不結合結合間のトンネル結合を調整可能にし、ペアにおける対称状態と非対称状態の間でのスイッチングを実現した。さらに、四量子ドット正方形構造において反対極状態を実現し、室温で動作する量子セルオートマトンデバイスへの重要な一歩を示した。

ABSTRACT

It is discovered that the zero-dimensional character of the silicon atom dangling bond (DB) state allows controlled formation and occupation of a new form of quantum dot assemblies. Whereas on highly doped n-type substrates isolated DBs are negatively charged, it is found that Coulomb repulsion causes DBs separated by less than ~2 nm to experience reduced localized charge. The unoccupied states so created allow a previously unobserved electron tunnel-coupling of DBs, evidenced by a pronounced change in the time-averaged view recorded by scanning tunneling microscopy. Direct control over net electron occupation and tunnel-coupling of multi-DB ensembles through separation controlled is demonstrated. Through electrostatic control, it is shown that a pair of tunnel-coupled DBs can be switched from a symmetric bi-stable state to one exhibiting an asymmetric electron occupation. Similarly, the setting of an antipodal state in a square assembly of four DBs is achieved, demonstrating at room temperature the essential building block of a quantum cellular automata device.

研究の動機と目的

• Si(001)表面に存在するシリコンの不結合結合からなる量子ドットの形成と制御を調査すること。
• ドット間隔が不結合結合集合体における電子トンネル移動および電荷分布に与える影響を調査すること。
• 複数の不結合結合系における電子占有状態および結合状態の静電的制御を達成すること。
• 四不結合結合正方形配置を用いて、室温で動作する機能的な量子セルオートマトンユニットを実証すること。

提案手法

• 走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、高不純物濃度のn型Si(001)基板上に存在する個々の不結合結合を像化および操作する。
• STMの先端を用いた静電的ゲート制御により、不結合結合アセンブリの全体的な電子占有状態およびドット間結合状態を制御する。
• ドット間隔を2 nm未満に調整し、クーロン反発を誘発させ、局在電荷を低減することで、電子トンネル移動を可能にする。
• 時間平均化STM像から、電子的構造に顕著な変化が観察され、不結合結合間のトンネル結合が示唆される。
• 四つの不結合結合を正方形に配置し、反対極状態の電子占有状態を実現する。
• 本システムは室温で動作させ、大気下でも安定性と制御性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si(001)表面の不結合結合を用いて、結合状態を調整可能な制御可能な量子ドットを形成できるか？
• RQ2 ドット間隔が不結合結合集合体における電子トンネル移動および電荷局在に与える影響は何か？
• RQ3 静電的制御により、二つの不結合結合系において、対称状態と非対称状態の間をスイッチングできるか？
• RQ4 室温で四不結合結合配置において安定な反対極状態を達成できるか？
• RQ5 これらの制御可能な系は、量子セルオートマトンデバイスの構築ブロックとして機能できるか？

主な発見

• Si(001)表面の不結合結合は、制御可能な電荷状態を持つゼロ次元の量子ドットを形成する。
• 2 nm未満の間隔で分離された不結合結合では、クーロン反発が局在電荷を低減させ、不結合結合間の電子トンネル結合を可能にする。
• トンネル結合された不結合結合ペアは、静電的ゲート制御により、二重安定対称状態から非対称電子占有状態に切り替え可能である。
• 四不結合結合正方形配置において、室温で反対極状態の電子占有状態が達成された。
• 本システムは、安定的かつ制御可能で、逆転可能な電子占有状態と結合状態を示し、量子セルオートマトンユニットとしての実用性を確認した。
• 時間平均化STM像から、顕著な電子的構造の変化が観察され、トンネル結合の明確な証拠が得られた。