[論文レビュー] Spin-orbit dynamics of single acceptor atoms in silicon

Joost van der Heijden, Takashi Kobayashi+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2017

Quantum and electron transport phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、CMOSトランジスタプラットフォームを用いて、シリコン中の単一ボロンアクセプタ原子におけるチューナブルなスピン軌道ダイナミクスを実証した。局所的な応力と電場を設計することで、ヘビーホール状態とライトホール状態の混合を制御し、スピン緩和率が1,000倍以上に増加するレベル反クロスングのホットスポットを特定した。これにより、スケーラブルな量子技術のためのqubitのコherencyと電気双極子結合を精密に制御可能となった。

ABSTRACT

Two-level quantum systems with strong spin-orbit coupling allow for all-electrical qubit control and long-distance qubit coupling via microwave and phonon cavities, making them of particular interest for scalable quantum information technologies. In silicon, a strong spin-orbit coupling exists within the spin-3/2 system of acceptor atoms and their energy levels and properties are expected to be highly tunable. Here we show the influence of local symmetry tuning on the acceptor spin-dynamics, measured in the single-atom regime. Spin-selective tunneling between two coupled boron atoms in a commercial CMOS transistor is utilised for spin-readout, which allows for the probing of the two-hole spin relaxation mechanisms. A relaxation-hotspot is measured and explained by the mixing of acceptor heavy and light hole states. Furthermore, excited state spectroscopy indicates a magnetic field controlled rotation of the quantization axes of the atoms. These observations demonstrate the tunability of the spin-orbit states and dynamics of this spin-3/2 system.

研究の動機と目的

• シリコン中の単一アクセプタ原子のスピン軌道結合と準位配置の制御を実証すること。
• 局所的対称性、応力、電場がヘビーホール状態とライトホール状態の混合と分裂に与える影響を調査すること。
• 単原子系におけるスピンダイナミクス、特に緩和メカニズムとコherency時間の挙動を調査すること。
• 長寿命のコherency時間と強い電気双極子結合を有するアクセプタベースのスピン軌道qubitの実現可能性を確立すること。
• アクセプタの量子環境を調整することで、マイクロ波キャビティを介した全電気的qubit制御と長距離結合を可能にすること。

提案手法

• 最先端のシリコンCMOSトランジスタを用い、二重アクセプタ（1,1）および（2,0）の電荷状態にある単一ボロンアクセプタ原子をホールド・電気的アドレス可能にした。
• 二つのボロン原子間のスピン選択的トンネル効果を用いて、二準位ホールスピン状態を高精度で読み出す。
• サブ-µeV感度で電荷状態およびスピン状態を検出するために、分散的ラジオ周波数ゲートリフレクトメトリーを採用した。
• 磁場依存の緩和率測定および励起状態分光測定を実施し、準位反クロスングをマップした。
• ヘビーホール（S_HH）とライトホール（Q_LH）状態のカップルド二準位モデルを用い、反クロスングを記述した。ハミルトニアンパラメータは実験データへのフィッティングから導出した。
• ゼロデチューニングにおける混合状態のライトホール成分を、式：ξ_E=0 = 2t_SQ² / [(ΔE)² + (2t_SQ)²] を用いて計算し、観測された緩和増強と結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的応力と電場の調整が、シリコン中の単一アクセプタ原子におけるヘビーホール状態とライトホール状態の混合と分裂にどのように影響を与えるか？
• RQ2 アクセプタ系のスピンダイナミクスにおいて観測された緩和ホットスポットの起源と大きさは何か？
• RQ3 外部磁場を用いてホールスピン系の量子化軸を回転させることは可能か？ その場合、スピン緩和にどのような影響を与えるか？
• RQ4 スピン軌道結合と双極子行列要素をどれほどチューニングできるか？ これによりqubitのコherencyと電気的制御が最適化できるか？
• RQ5 準位反クロスングが、強力なスピン軌道結合を実現し、緩和率を増大させる役割を果たす程度はどの程度か？

主な発見

• スピン緩和率が1,000倍以上に増加する緩和ホットスポットが観測され、A_SQ状態において1 Tで0.5 µsの測定緩和時間となった。
• このホットスポットは、S_HHとQ_LH²⁻状態間の避けられた準位反クロスングに起因し、混合状態の性質によりライトホールからヘビーホールへの緩和が可能となった。
• 反クロスングにおけるライトホール成分は、ξ_E=0 = 2t_SQ² / [(ΔE)² + (2t_SQ)²] として計算され、観測された緩和増強と直接関連づけられた。
• 緩和率のエネルギー分裂依存性は、(ħω)³に比例するスケーリングに従い、ホール状態間の電気双極子遷移と整合的であった。
• 励起状態分光測定により、外部磁場によってホールスピン系の量子化軸を回転させ、ヘビーホール-ライトホール混合を調整可能であることが判明した。
• ヘビーホール-ライトホール分裂を増大させたり、g因子を低減させることでホットスポットを高磁場領域にシフトすれば、約0.5 Tで1 msを超える緩和時間が予測される。