[論文レビュー] Controlling the error mechanism in a tunable-barrier non-adiabatic charge pump by dynamic gate compensation

F. Hohls, Vyacheslavs Kashcheyevs+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 44被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、GaAsベースの可変障壁非断熱単電子ポンプにおいて、プラッパー電極対障壁電極比 ∆ptb を制御することでバックトンネルエラーを抑制する動的ゲート補償を実証した。2番目のゲートを変調して有効なエネルギー準位のシフトを遅くすることで、外部磁場を一切用いずに数個のオーダーのエラー抑制を達成した。実験的にsub-ppmの精度で確認され、崩壊段階モデルの予測が裏付けられ、バックトンネルエラー支配から熱的エラー支配への制御された遷移が可能になった。

ABSTRACT

Single-electron pumps based on tunable-barrier quantum dots are the most promising candidates for a direct realization of the unit ampere in the recently revised SI: they are simple to operate and show high precision at high operation frequencies. The current understanding of the residual transfer errors at low temperature is based on the evaluation of backtunneling effects in the decay cascade model. This model predicts a strong dependence on the ratio of the time dependent changes in the quantum dot energy and the tunneling barrier transparency. Here we employ a two-gate operation scheme to verify this prediction and to demonstrate control of the backtunneling error. We derive and experimentally verify a quantitative prediction for the error suppression, thereby confirming the basic assumptions of the backtunneling (decay cascade) model. Furthermore, we demonstrate a controlled transition from the backtunneling dominated regime into the thermal (sudden decoupling) error regime. The suppression of transfer errors by several orders of magnitude at zero magnetic field was additionally verified by a sub-ppm precision measurement.

研究の動機と目的

• 非断熱単電子ポンプにおけるバックトンネルエラーを、動的ゲート補償を用いて制御・抑制すること。
• エラー抑制の定量的予測を、崩壊段階モデルの観点から実験的に検証すること。
• バックトンネルエラー支配から熱的エラー支配への領域への制御された遷移を実証すること。
• SIアンペール実現に向けたポンプの精度を検証するため、電流測定の不確実性をppm未満に抑えること。

提案手法

• 量子ドット内の有効エネルギー準位のシフトを遅くするために、動的に変調される2番目のゲートを用いた2ゲート動作方式を採用した。
• 幾何的議論を用いて、ゲート電圧変化の比に基づくエラー抑制の定量的予測を導出した。
• 任意波形発生器（12 GS/s）を用いてカスタム波形を入力し、高周波数ノイズを低減するためのローパスフィルタを適用した。
• 100 mKの冷却環境下で、超安定低ノイズ電流アンプ（ULCA）を用いて、sub-ppmの電流ノイズフロアを達成した。
• V_DC1–V_DC2平面における2次元ポンピングマップを取得し、最適な作動点を特定した。
• 不確実性が0.2 ppm未満の精度で測定された電流測定を実施し、エラー抑制を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的ゲート補償により、非断熱単電子ポンプにおけるバックトンネルエラーを抑制できるか？
• RQ2 観測されたエラー抑制は、崩壊段階モデルに基づく定量的予測と一致するか？
• RQ3 システムをバックトンネルエラー支配から熱的エラー支配への領域に制御的にチューニングできるか？
• RQ4 バックトンネルエラーが数個のオーダー抑制された状態で、ポンプが達成可能な精度は何か？

主な発見

• 動的ゲート補償によりバックトンネルエラーが数個のオーダー抑制され、電流測定の不確実性がsub-ppmにまで低下した。
• 実験結果は、プラッパー対障壁比 ∆ptb に基づく崩壊段階モデルのエラー抑制に関する定量的予測を裏付けた。
• ゲート変調を調整することで、バックトンネルエラー支配から熱的エラー支配への領域への制御された遷移が実証された。
• ポンプは13.5 pA（85.4 MHz）の電流を発生させ、測定された不確実性が0.2 ppmであった。これは、SIアンペール実現に適したポンプの性能を裏付けた。
• 外部磁場を一切使用せずエラー抑制が達成されたため、この手法の頑健性が強調された。
• 研究により、主なエラー機構がゲート設計によって能動的に制御可能であることが確認され、高精度動作が可能になった。