[論文レビュー] Relaxation and Dephasing in a Two-electron 13C Nanotube Double Quantum Dot

Hugh Churchill, Ferdinand Kuemmeth+8 more|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|Nov 19, 2008

Boron and Carbon Nanomaterials Research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、電荷感知パウリブロッキングを用いて、2電子13Cナノチューブ二重量子ドットにおける緩下（T₁）および位相崩壊（T₂*）を測定した。スピン-軌道結合が主な緩下メカニズムであることが判明し、T₁は1.4 Tで最小値を示した。一方、T₂* ≈ 3.2 nsはハイパーフィン結合と整合的であり、コherencyを延長するためには同位体純度の高いナノチューブが不可欠であることを示唆している。

ABSTRACT

We use charge sensing of Pauli blockade (including spin and isospin) in a two-electron 13C nanotube double quantum dot to measure relaxation and dephasing times. The relaxation time, T1, first decreases with parallel magnetic field then goes through a minimum in a field of 1.4 T. We attribute both results to the spin-orbit-modified electronic spectrum of carbon nanotubes, which suppresses hyperfine mediated relaxation and enhances relaxation due to soft phonons. The inhomogeneous dephasing time, T2*, is consistent with previous data on hyperfine coupling strength in 13C nanotubes.

研究の動機と目的

• スピンキュービット応用を目的として、2電子13Cナノチューブ二重量子ドットにおける緩下および位相崩壊時間の測定。
• スピン-軌道結合およびハイパーフィン相互作用が緩下および位相崩壊メカニズムに果たす役割の解明。
• 自然豊度材料と比較して、同位体修飾13Cナノチューブがデコherenceを低減するかどうかの評価。
• 核スピンのフラクチュエーションがキュービットコherencyに与える影響を、非一様位相崩壊時間T₂*を用いて評価。
• 炭素ナノチューブ量子ドットにおけるスピン-軌道結合およびハイパーフィン結合の理論モデルの妥当性の検証。

提案手法

• 容量結合された量子ドットを用いた電荷感知により、(1,1)および(0,2)電荷状態におけるトンネルブロッキングを検出。
• 高速ゲートパルスを用いて(1,1) → (0,2)状態をサイクリングし、帰還確率を用いて緩下時間T₁を測定。
• パルスシーケンスを用いて(0,2)状態を準備し、電子を(1,1)に分離した後、帰還確率を測定してT₂*を推定。
• T₁の磁場依存性を、スピン-軌道分裂ΔSOおよび磁場のずれ角θを含むモデルにフィット。
• センサーコンダクタンスgₛのキャリブレーションにより帰還確率を抽出し、ガウス減衰フィットからT₂*を抽出。
• 非線形輸送からドット間容量結合およびレバーアーム比を測定し、エネルギースケールを抽出。

Figure 1: (a) False-color SEM micrograph of a device of the same design as the measured device. The 13 C nanotube (not visible) runs horizontally under Pd contacts (red). The double dot is defined by top-gates L, R, and M (blue). On the same nanotube, a separate quantum dot is controlled with gates

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2電子状態の13Cナノチューブ二重量子ドットにおける緩下時間T₁は、印加磁場にどのように依存するか？
• RQ2 1.4 Tで観測されたT₁の最小値の原因は何か？スピン-軌道結合とどのように関係しているか？
• RQ3 この系におけるハイパーフィン結合は、緩下および位相崩壊にどの程度寄与しているか？
• RQ4 非一様位相崩壊時間T₂*は、核スピンフラクチュエーションに基づく理論予測とどの程度一致するか？
• RQ5 観測されたT₁およびT₂*の値は、スピン-軌道結合およびハイパーフィン相互作用のみで説明可能か、それ以外のメカニズムが必要か？

主な発見

• 緩下時間T₁は平行磁場が増加するにつれて減少し、1.4 Tで最小値を示すという非単調な磁場依存性を示した。
• T₁の最小値はスピン-軌道結合に起因し、低磁場ではハイパーフィン媒介緩下が抑制され、高磁場ではソフトフォノン媒介緩下が増幅されるためである。
• 測定されたT₁は、スピン-軌道分裂ΔSOおよび磁場ずれ角θを含むモデルに良好にフィットし、スケール係数C = 65 ns/√μeVが得られた。
• 非一様位相崩壊時間T₂*は3.2 nsと測定され、13Cナノチューブにおける最近のハイパーフィン結合測定と整合的である。
• 推定された核スピンフラクチュエーション強度δB||^|| = 1.8 mTは、単一ドットの核スピン場の推定値のおよそ半分であり、ダイポール結合の抑制または異方性の可能性を示唆している。
• 飽和帰還確率が0.17と、GaAsにおけるスイングル-トリプレット系の期待値1/3より低く、炭素ナノチューブにおける追加のアイソスピン自由度が関係している可能性がある。

Figure 2: Sensor conductance $\rm{g_{s}}$ as a function of $V_{\rm R}$ and $V_{\rm L}$ around the (1,1)/(0,2) transition (a) without applied pulses, (b) with the $T_{1}$ pulse cycle E $\rightarrow$ R $\rightarrow$ M $\rightarrow$ E applied, ${\tau_{\rm M}}=0.5\ \mu$ s. Dashed lines indicate the boun