[論文レビュー] Effective out-of-plane g-factor in strained-Ge/SiGe quantum dots

Andrew J. Miller, Mitchell Brickson+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、単一ホールGe/SiGe量子ドットにおける面外g因子を初めて測定し、面内g因子（〜0.3）に対して著しく高い値15.7(22)、かつ50を超える極めて顕著な異方性を明らかにした。磁気分光法とLuttingerハミルトニアンのシミュレーションを用いて、強いスピン軌道結合と、電荷状態および磁場によるg因子の調整可能性を示し、量子計算プラットフォームにおける低磁場スピン読み出しを可能にする。

ABSTRACT

Recently, lithographic quantum dots in strained-Ge/SiGe have become a promising candidate for quantum computation, with a remarkably quick progression from demonstration of a quantum dot to qubit logic demonstrations. Here we present a measurement of the out-of-plane $g$-factor for single-hole quantum dots in this material. As this is a single-hole measurement, this is the first experimental result that avoids the strong orbital effects present in the out-of-plane configuration. In addition to verifying the expected $g$-factor anisotropy between in-plane and out-of-plane magnetic ($B$)-fields, variations in the $g$-factor dependent on the occupation of the quantum dot are observed. These results are in good agreement with calculations of the $g$-factor using the heavy- and light-hole spaces of the Luttinger Hamiltonian, especially the first two holes, showing a strong spin-orbit coupling and suggesting dramatic $g$-factor tunability through both the $B$-field and the charge state.

研究の動機と目的

• 多ホール系に見られる軌道効果を避けるために、単一ホールGe/SiGe量子ドットにおける面外g因子の測定を目的とする。
• 単一ホール状態において、面内と面外磁場におけるg因子の異方性を検証することを目的とする。
• ホール占有数および磁場方向の変化に伴うg因子の変化を調査することを目的とする。
• 実験結果とLuttingerハミルトニアンのシミュレーションを比較し、スピン軌道結合および軌道効果の理解を深めることを目的とする。

提案手法

• 30 mKのデュアルレジストル冷凍機を用い、3 Tまでの面外磁場を用いた磁気分光法を実施した。
• 二重量子ドット構造を有するリソグラフィック量子ドットデバイスを用い、下層ドットを電荷センサとして、上層ドットを単一ホール状態に調整した。
• ゲート結合（α = 75.4(35) mV/μm）を測定し、0–0.2 T範囲におけるエネルギー準位の傾きからg因子を抽出した。
• 歪みをBir-Pikusモデルで取り入れた実際の量子ドットポテンシャルを含むLuttingerハミルトニアンを用いて理論的シミュレーションを実施した。
• 0.2 Tにおけるゼーマン分裂（ΔE/μB B）から理論的g因子を計算し、実験結果と比較した。
• 磁場増加に伴うエネルギー準位の傾きの符号および大きさを分析することで、軌道効果およびスピン軌道結合を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一ホールGe/SiGe量子ドットにおける面外g因子の値は何か？ また、面内g因子と比較してどうなるか？
• RQ2 面外磁場下における量子ドット内のホール占有数の変化に伴い、g因子はどのように変化するか？
• RQ3 p軌道的性質を示す系において、面外配置のときの軌道効果が、内在するg因子をどの程度曇らせるか？
• RQ4 Luttingerハミルトニアンのシミュレーションは、観測されたg因子およびその占有数およびB場依存性を正確に再現できるか？
• RQ5 歪みおよび材料パrameter（例：Luttinger係数）は、g因子の異方性を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 単一ホール状態における測定された面外g因子は15.7(22)であり、面内g因子（〜0.3）と比較して顕著に高く、g因子の異方性は50を大きく超える。
• ホール占有数が2を超えると、特にp軌道的性質を示す系において、支配的な軌道効果により顕著なg因子の変動が観察された。
• Luttingerハミルトニアンを用いた理論的シミュレーションは、最初の2つのホール状態における実験的g因子を良好に再現し、0.2 Tにおける予測g因子は21.25となった。
• シミュレーションはエネルギー準位の傾きの符号および相対的大きさを正しく予測したが、p軌道的状態では大きさを過剰に予測しており、多体効果が関与している可能性を示唆している。
• 磁場方向に沿った軌道角運動量の整列が、エネルギー準位の曲率および傾きの符号反転を引き起こし、純粋なゼーマン分裂からの逸脱を説明できる。
• 本結果は、強いスピン軌道結合が、電荷状態および磁場方向の制御によってg因子を劇的にチューニング可能であることを確認しており、量子計算における低磁場スピン読み出しを支援する。