[論文レビュー] Microwave-frequency scanning gate microscopy of a Si/SiGe double quantum dot

Artem O. Denisov, Seong W. Oh+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 55被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、金属的AFMプローブをリソグラフィーで作製されたデバイスに結合させ、統合された電荷センサを備えたSi/SiGe二重量子ドットにおいて、マイクロ波周波数のスキャンゲート顕微鏡法を実証した。この技術により、局所的なdcおよびマイクロ波周波数制御が可能となり、電子占有状態の制御が可能であり、光子補助トンネル効果を用いて励起状態を解像できる。その結果、シリコンヘテロ構造におけるバルク状態分裂と整合する64 µeVのエネルギー分裂を明らかにした。これはスピンキュービット応用に不可欠な量子状態の空間分解能を有する分光法を可能にする。

ABSTRACT

Conventional quantum transport methods can provide quantitative information on spin, orbital, and valley states in quantum dots, but often lack spatial resolution. Scanning tunneling microscopy, on the other hand, provides exquisite spatial resolution of the local electronic density of states, but often at the expense of speed. Working to combine the spatial resolution and energy sensitivity of scanning probe microscopy with the speed of microwave measurements, we couple a metallic probe tip to a Si/SiGe double quantum dot that is integrated with a local charge detector. We first demonstrate that a dc-biased tip can be used to change the charge occupancy of the double dot. We then apply microwave excitation through the scanning tip to drive photon-assisted tunneling transitions in the double dot. We infer the double dot energy level diagram from the frequency and detuning dependence of the photon-assisted tunneling resonance condition. These measurements allow us to resolve $\sim$65 $\mu$eV excited states, an energy scale consistent with typical valley splittings in Si/SiGe. Future extensions of this approach may allow spatial mapping of the valley splitting in Si devices, which is of fundamental importance for spin-based quantum processors.

研究の動機と目的

• 量子デバイスの研究に向け、高い空間分解能とマイクロ波周波数感度を併せ持つスキャンプローブ技術の開発を目的とする。
• スケーラブルなスピンキュービットの主要な課題である、Si/SiGeヘテロ構造におけるバルク状態分裂を空間的に解像する測定技術の欠如に応えることを目的とする。
• バイアスをかけられ、マイクロ波励起されたAFMプローブを用いて、二重量子ドットの局所的制御と分光法を実証することを目的とする。
• シリコンベースの量子ドットにおける励起状態およびエネルギー準位構造の定量的マッピングを可能とすることを目的とする。

提案手法

• 金属的AFMプローブをバイアスTを介してSi/SiGe二重量子ドット（DQD）に結合させ、同時にdcバイアスとマイクロ波励起を可能とした。
• DQDは、高い感度で電子占有状態の変化を検出可能な量子ドット電荷センサと統合されている。
• プローブを通じたマイクロ波励起により、光子補助トンネル効果（PAT）遷移が駆動され、励起状態の分光法が可能となった。
• 電流測定（IDおよびIS）から電荷安定性ダイアグラムを抽出し、ゲート電圧の関数としての電子占有状態をマッピングした。
• PATデータから自己容量行列を抽出し、Q = C·Vの形でプローブのDQDへの結合を定量化した。
• 三準位ハミルトニアンモデルを用いてPATデータにフィットさせ、左ドットの基底状態および励起状態、および右ドットの基底状態を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロ波周波数制御と高い空間分解能を備えたスキャンゲートプローブを用いて、Si/SiGe二重量子ドットにおける電子占有状態を局所的に調整可能か？
• RQ2 DQDにおける励起状態のエネルギースケールは何か？ また、マイクロ波駆動による光子補助トンネル効果を用いて解像可能か？
• RQ3 観測されたエネルギー分裂はシリコンにおけるバルク状態分裂と整合するか？ また、空間的にマッピング可能か？
• RQ4 プローブのDQDへの結合がエネルギー準位構造に与える影響は何か？ また、これを定量的にモデル化可能か？
• RQ5 この技術により、Si/SiGeヘテロ構造におけるバルク状態分裂の空間分解能分光法が可能か？

主な発見

• マイクロ波周波数のスキャンゲート顕微鏡法は、約65 µeVのエネルギー分解能で二重量子ドットの励起状態を明確に解像した。
• PATデータから左ドットの基底状態と励起状態の間の64 µeVのエネルギー分裂が抽出され、これはSi/SiGeヘテロ構造における典型的なバルク状態分裂と整合的であった。
• dcバイアスをかけたプローブにより、電子占有状態の局所的制御が可能であり、可動プラッパー・ゲートとして機能した。
• 実験的に自己容量行列が抽出され、プローブからドットへの容量が約0.023 aFであった。これは弱いが測定可能な結合を示している。
• マイクロ波励起を適用した際、電荷安定性ダイアグラムに明確なストライプ状の光子補助トンネル共振が観測され、一貫性のあるマイクロ波制御が確認された。
• 三準位モデルのフィッティングにより、ドット間トンネル結合が16 µeV、遷移エネルギーが64 µeVと得られ、文献値のバルク状態分裂と一致した。