[論文レビュー] Mapping of valley-splitting by conveyor-mode spin-coherent electron shuttling

M. Volmer, Tom Struck+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、コンveyorモードのスピン整合電子シャッフルを用いて、Si/SiGeヘテロ構造における局所的バルク分割の高分解能で時間効率の良いマッピング手法を提示する。スピンもつれペアの1電子を、基底状態と励起状態のバルク状態間の磁場誘発反応交差をプローブするための位置にシャッフルすることで、サブ・マイクロエレクトロンボルトのエネルギー分解能とナノメートル級の横方向分解能を達成し、210 nm × 18 nm の領域で高密度な2次元バルク分割マッピングが可能となり、従来の磁気分光法と同等の統計的信頼性を有する。

ABSTRACT

In Si/SiGe heterostructures, the low-lying excited valley state seriously limit operability and scalability of electron spin qubits. For characterizing and understanding the local variations in valley splitting, fast probing methods with high spatial and energy resolution are lacking. Leveraging the spatial control granted by conveyor-mode spin-coherent electron shuttling, we introduce a method for two-dimensional mapping of the local valley splitting by detecting magnetic field dependent anticrossings of ground and excited valley states using entangled electron spin-pairs as a probe. The method has sub-μeV energy accuracy and a nanometer lateral resolution. The histogram of valley splittings spanning a large area of 210 nm by 18 nm matches well with statistics obtained by the established but time-consuming magnetospectroscopy method. For the specific heterostructure, we find a nearly Gaussian distribution of valley splittings and a correlation length similar to the quantum dot size. Our mapping method may become a valuable tool for engineering Si/SiGe heterostructures for scalable quantum computing.

研究の動機と目的

• シリコンスピンキュービットのスケーラビリティを阻害する、Si/SiGeヘテロ構造における局所的バルク分割の変動を迅速かつ高分解能でプローブする手法の欠如に応えること。
• 従来の磁気分光法が時間食いであり、カバー範囲が限られるという制限を克服し、効率的かつ空間的に分解能のあるバルク分割マッピングを可能とすること。
• 量子チップ全体におけるバルク分割の分布および空間相関を特徴付ける、スケーラブルで統計的に信頼性の高い手法を開発すること。
• 耐障害性量子計算を実現するため、バルク分割のフラクチュアーションを低減したSi/SiGeヘテロ構造の設計を可能とすること。

提案手法

• スピンもつれペアの1電子を、遠く離れた量子ドットに搬送することで、局所的プロービングを実現するコンベアーモードのスピン整合電子シャッフルを用いる。
• 基底状態と励起状態のバルク状態間の磁場依存反応交差を測定することで、局所的バルク分割エネルギー $E_{\mathrm{VS}}$ をプローブする。
• シャッフル経路に平行な2つの長いゲートに電圧オフセットをかけることで、シャッフル軌道をずらし、210 nm × 18 nm の領域における2次元マッピングを実現する。
• コherentな電子シャッフルと精密な静電的制御を活用することで、サブ・マイクロエレクトロンボルトのエネルギー分解能とナノメートル級の横方向分解能を達成する。
• クロス容量測定に基づく三角測量と有限要素ポアソンシミュレーションを組み合わせることで、量子ドット位置を10 nm未満の精度で特定する。
• 実験的測定とシミュレートされた静電的ポテンシャルの変動を統合し、位置およびゲート電圧差の関数として $E_{\mathrm{VS}}$ をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンベアーモードの電子シャッフルは、Si/SiGeヘテロ構造における局所的バルク分割の高分解能かつ空間的マッピングを可能とするか？
• RQ2 Si/SiGe量子チップの大面積におけるバルク分割の空間的分布および統計的挙動はいかなるものか？
• RQ3 この新しいマッピング手法の分解能および正確性は、従来の磁気分光法と比較してどの程度か？
• RQ4 局所的静電的不均一性および意図しないトンネル現象が、観測されたバルク分割の変動に果たす役割は何か？
• RQ5 この手法は、量子ドットサイズと比較してバルク分割フラクチュエーションの相関長を解像できるか？

主な発見

• 本手法は、サブ・マイクロエレクトロンボルトのエネルギー分解能とナノメートル級の横方向分解能を達成し、210 nm × 18 nm の領域で高密度な2次元バルク分割マッピングが可能となった。
• 測定されたバルク分割エネルギーは4.6 μeV から 59.9 μeV の範囲にあり、マッピング領域全体でほぼガウス分布を示した。
• バルク分割フラクチュエーションの空間的相関長は、量子ドットサイズと同等であることが判明し、原子スケールでの局所的材料不均一性を示唆している。
• バルク分割の急激な変動は、コンベアーモードシャッフル中の意図しないトンネル現象に起因するとされ、シャッフルチャネルの垂直方向ずれによって緩和可能である。
• 本手法によるバルク分割の統計的分布は、時間食いな従来の磁気分光法の結果とよく一致しており、その正確性が検証された。
• 本手法は、効率的かつ統計的に高密度なバルク分割マッピングを可能とし、スケーラブルなSi/SiGe量子コンピューティングプラットフォームのための有望なツールである。