[論文レビュー] Long-lived valley states in bilayer graphene quantum dots

Rebekka Garreis, Chuyao Tong+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2023

Graphene research and applications参考文献 52被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ゲートで定義された二層グラフェン量子ドットにおける電気的制御が可能な長寿命なバルク状態を実証し、バルク状態の緩和時間は500 msを超えることを達成した。これはスピン緩和時間のおよそ10倍以上にのぼる。単回のスピンブロッキング読み出しを用いて、バルク状態の区別に99%以上の忠実度を達成した。これにより、電気的にチューナブルでコherentなバルクキュービットを実現する強固なプラットフォームとして、二層グラフェンの可能性が確立された。

ABSTRACT

Bilayer graphene is a promising platform for electrically controllable qubits in a two-dimensional material. Of particular interest is the ability to encode quantum information in the so-called valley degree of freedom, a two-fold orbital degeneracy that arises from the symmetry of the hexagonal crystal structure. The use of valleys could be advantageous, as known spin- and orbital-mixing mechanisms are unlikely to be at work for valleys, promising more robust qubits. The Berry curvature associated with valley states allows for electrical control of their energies, suggesting routes for coherent qubit manipulation. However, the relaxation time of valley states -- which ultimately limits these qubits' coherence properties and therefore their suitability as practical qubits -- is not yet known. Here, we measure the characteristic relaxation times of these spin and valley states in gate-defined bilayer graphene quantum dot devices. Different valley states can be distinguished from each other with a fidelity of over 99%. The relaxation time between valley triplets and singlets exceeds 500ms, and is more than one order of magnitude longer than for spin states. This work facilitates future measurements on valley-qubit coherence, demonstrating bilayer graphene as a practical platform hosting electrically controlled long-lived valley qubits.

研究の動機と目的

• ゲートで定義された二層グラフェン量子ドットにおけるバルク状態およびスピン状態の緩和時間を測定すること。
• 二次元材料におけるバルク自由度を強固なキュービットとして用いる可能性を評価すること。
• パウリブロッキングを介した単回読み出しによりバルク状態を高忠実度で同定すること。
• さまざまな磁場およびトンネル結合条件下でのバルク緩和時間とスピン緩和時間の比較。
• ドット間トンネル結合がバルクおよびスピン緩和ダイナミクスに与える影響を評価すること。

提案手法

• 二重量子ドット内の(1,1)および(0,2)電荷状態をモニタリングするため、容量結合された検出器量子ドットを用いた単回電荷センシング。
• 時間分解検出を用いて緩和時間を測定可能なように、(1,1)と(0,2)状態間の遷移を駆動するパルスゲート電圧プロトコルの適用。
• 垂直磁場を印加して、基底状態をスピン三重項／バルク singlet からバルク三重項／スピン singlet に切り替えることで、スピンまたはバルクブロッキング領域への選択的アクセスを可能にする。
• シングレットおよびトリプレット状態のガウス分布へのフィッティングを用いて、読み出し忠実度を抽出。
• 磁場およびトンネル結合強度を系統的に変化させ、外部パラメータの変化に伴う緩和時間の依存性を調査。
• パルスラムプ時間の関数としてのターゲット状態の占有確率を分析し、$ T_1 $ を人口の減衰から抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的にチューナブルな条件下で、二層グラフェン量子ドットにおけるバルク状態の緩和時間は何か？
• RQ2 同じ系において、バルク緩和時間はスピン状態のそれと比べてどう異なるか？
• RQ3 ドット間トンネル結合強度は、バルク緩和ダイナミクスとスピン緩和ダイナミクスの両者に異なる影響を及えるか？
• RQ4 二重量子ドットデバイスにおいて、単回読み出しを用いてバルク状態を高忠実度で区別できるか？
• RQ5 磁場がスピンブロッキングとバルクブロッキング領域の間の遷移に与える影響、およびそれに関連する緩和時間への影響は何か？

主な発見

• 垂直磁場250 mTの条件下で、二層グラフェン量子ドットにおけるバルク緩和時間は500 msを超える。これはスピン緩和時間よりも顕著に長い。
• 測定されたバルク $ T_1 $ は、700 mTで最大60 msに達するスピン状態の $ T_1 $ よりも10倍以上長い。
• バルク緩和時間はドット間トンネル結合の変化に対して頑健であるのに対し、スピン緩和時間はトンネル結合が増加するにつれて減少する。
• バルク状態の単回読み出し忠実度は99.981(2)%に達し、高忠実度の状態区別が実現された。
• テストした磁場範囲において、スピンまたはバルク状態の両方の $ T_1 $ に顕著な磁場依存性は観察されず、緩和ダイナミクスの安定性が示された。
• 観察された長寿命バルク状態は、内在的なスピン-バルク結合メカニズムではなく、低欠陥密度および有限サイズ効果に起因する間隔バルク散乱の抑制によるものとされる。