[論文レビュー] Non-reciprocal Pauli Spin Blockade in a Silicon Double Quantum Dot

Theodor Lundberg, David J. Ibberson+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 54被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スピン多体系間の非断熱トンネルによる、シリコン二重量子ドットにおける非可逆的ポールィスピンブロッキング（PSB）の実験的観測を報告する。16個の電荷状態において分散型磁気分光法を用い、電子スピン状態間の7.90 μeVの結合を同定した。これはこれまで報告された中で最大の値であり、スピン軌道結合の増強を示し、電気双極子スピン共鳴（EDSR）による全電気的スピン制御を可能にする。

ABSTRACT

Spin qubits in gate-defined silicon quantum dots are receiving increased attention thanks to their potential for large-scale quantum computing. Readout of such spin qubits is done most accurately and scalably via Pauli spin blockade (PSB), however various mechanisms may lift PSB and complicate readout. In this work, we present an experimental observation of a new, highly prevalent PSB-lifting mechanism in a silicon double quantum dot due to incoherent tunneling between different spin manifolds. Through dispersively-detected magnetospectroscopy of the double quantum dot in 16 charge configurations, we find the mechanism to be energy-level selective and non-reciprocal for neighbouring charge configurations. Additionally, using input-output theory we report a large coupling of different electron spin manifolds of 7.90 $μ$eV, the largest reported to date, indicating an enhanced spin-orbit coupling which may enable all-electrical qubit control.

研究の動機と目的

• シリコン二重量子ドットにおけるポールィスピンブロッキング（PSB）を解除するメカニズムを調査し、高精度なスピンキュービットの読み出しを損なう要因を解明すること。
• CMOSプロセスに準拠するシリコン二重量子ドットにおいて、非可逆的かつエネルギー準位選択的なPSB解除メカニズムを特定・特徴付けること。
• 入出力理論と分散型センシングを用いて、異なる電子スピン多体系間の結合を定量すること。
• 強化されたスピン軌道結合が、シリコンスピンキュービットにおける全電気的スピン操作に与える影響を評価すること。

提案手法

• ゲート G_T1 を介して超伝導 LCR レゾネータに結合されたシリコン二重量子ドットの分散型磁気分光法。
• 16個の電荷状態（相互作用電荷遷移（ICT）点として特定）において、磁場の関数としてのレゾネータ応答の相対的位相シフトを測定。
• 入出力理論を適用し、パラメトリック静電容量を量子的寄与とトンネル寄与に分解して位相応答をシミュレート。
• 一般化された極化および占有確率の式を用いて、緩和速度が遅い・速い両状態の下で、パラメトリック静電容量応答をモデル化。
• 実験データから得られたパラメータを用い、エネルギー準位分裂、トンネル結合、熱的占有確率を組み合わせて磁気分光スペクトルをシミュレート。観測された特徴に一致するようにフィッティング。
• 高磁場領域におけるランダウ＝ツェナー遷移の効果を組み込み、0.2 T を超える領域で位相シフト信号が抑制されることをシミュレーションに反映。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようなメカニズムがシリコン二重量子ドットにおける非可逆的PSB解除を引き起こすか？
• RQ2 スピン多体系間の非断熱トンネルが、異なる電荷状態におけるPSBの分散型検出にどのように影響するか？
• RQ3 この系における異なる電子スピン多体系間の結合の大きさはどの程度か？
• RQ4 観測されたPSB解除挙動とレゾネータ応答から、強化されたスピン軌道結合を推定できるか？
• RQ5 大きなスピン軌道結合が、シリコンスピンキュービットにおける全電気的スピン操作に与える影響は何か？

主な発見

• スピン多体系間の非断熱トンネルによって駆動される、新たなPSB解除メカニズムが観測された。このメカニズムはエネルギー準位選択的かつ隣接する電荷状態間で非可逆的である。
• 入出力理論を用いて、異なる電子スピン多体系間の結合を7.90 μeVとして定量した。これはこれまで報告された中で最大の値である。
• この大きな結合定数は、スピン軌道結合の強化を示し、電気双極子スピン共鳴（EDSR）による全電気的スピン操作が可能になる可能性を示唆する。
• PSB解除メカニズムは16個の電荷状態すべてにわたって顕著であり、(6,9)-(7,8) および (5,10)-(6,9) のICT点の両方で非可逆的挙動が観測された。
• 量子的およびトンネル的静電容量寄与を含む入出力理論に基づくシミュレーションが、測定された磁気分光スペクトルを正確に再現しており、PSB解除における高速緩和の役割を裏付けた。
• 高磁場領域（>0.2 T）ではランダウ＝ツェナー遷移の存在が位相シフト信号の抑制を引き起こし、実験観測と整合的である。