[논문 리뷰] A Quantum Electrodynamics Kondo Circuit with Orbital and Spin Entanglement

Guangwei Deng, Loïc Henriet외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 21.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초전도성 마이크로파 공진기와 결합된 그래핀 더블 양자점(DQD)을 구현하여, 전하, 스핀, 궤도 자유도가 얽힌 양자전자역학적 콘도 회로를 실현한다. 저온 및 전하 디게너시 상태에서 마이크로파 반사 스펙트로스코피는 콘도 또는 아브리코소프-슐레르 공명의 형성을 보여주며, 게이트 전압, 편향 전압, 마이크로파 전력 제어를 통해 전체 위상도 맵핑을 확인한다.

ABSTRACT

Recent progress in nanotechnology allows to engineer hybrid mesoscopic devices comprising on chip an artificial atom or quantum dot, capacitively coupled to a microwave (superconducting) resonator. These systems can then contribute to explore non-equilibrium quantum impurity physics with light and matter, by increasing the input power on the cavity and the bias voltage across the mesoscopic system. Here, we build such a prototype system where the artificial atom is a graphene double quantum dot (DQD). Controlling the coupling of the photon field and the charge states of the DQD, we measure the microwave reflection spectrum of the resonator. When the DQD is at the charge degeneracy points, experimental results are consistent with a Kondo impurity model entangling charge, spin and orbital degrees of freedom. The light reveals the formation of the Kondo or Abrikosov-Suhl resonance at low temperatures. We then study the complete phase diagram as a function of gate voltages, bias voltage and microwave input power.

연구 동기 및 목표

• 비균형 양자 불순물 물리학을 연구하기 위해 그래핀 더블 양자점(DQD)과 초전도성 마이크로파 공진기를 조합한 하이브리드 메조스코픽 장치를 설계한다.
• 강한 빛-물질 결합을 이용해 콘도 유사 시스템에서 전하, 스핀, 궤도 자유도의 상호작용을 탐구한다.
• 게이트 전압, 편향 전압, 마이크로파 입력 전력의 함수로 시스템의 전체 위상도 맵핑을 수행한다.
• 마이크로파 반사 스펙트로스코피를 통해 실험적으로 콘도 또는 아브리코소프-슐레르 공명을 관측하고 특성화한다.

제안 방법

• 칩 상에 인공 원자로 기능하는 그래핀 더블 양자점(DQD)을 제작하고, 용량 결합을 통해 초전도성 마이크로파 공진기와 연결한다.
• 콘도 물리가 나타나는 전하 디게너시 상태로 DQD를 게이트 전압 조절을 통해 조정한다.
• 공진기의 마이크로파 반사 스펙트럼을 측정하여 DQD의 동역학 및 광자장과의 결합을 탐사한다.
• 편향 전압과 마이크로파 입력 전력을 변화시켜 비균형 영역에 진입하고 콘도 공명의 진화를 연구한다.
• 스펙트럼 응답을 분석하여 저온에서 콘도 또는 아브리코소프-슐레르 공명의 징후를 식별한다.
• 공진기를 시스템 매개변수 공간에서 전체 위상도 맵핑을 위한 민감한 탐지수 Mittel로 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 더블 양자점과 마이크로파 공진기 간의 결합이 전하, 스핀, 궤도 자유도가 얽힌 시스템에서 콘도 물리학을 어떻게 드러내는가?
• RQ2 저온에서 마이크로파 반사 스펙트럼에 나타나는 콘도 또는 아브리코소프-슐레르 공명의 징후는 무엇인가?
• RQ3 게이트 전압, 편향 전압, 마이크로파 입력 전력의 변화에 따라 시스템의 위상도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 공진기를 비파괴적 탐지수로 사용하여 메조스코픽 DQD 시스템에서 콘도 공명 형성 여부를 감지할 수 있는가?
• RQ5 이 하이브리드 양자 회로에서 궤도 자유도와 스핀 자유도가 콘도 효과의 발생에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 전하 디게너시 상태 및 저온 조건에서 마이크로파 반사 스펙트럼은 명확한 콘도 또는 아브리코소프-슐레르 공명의 징후를 보인다.
• 관측된 공명은 전하, 스핀, 궤도 자유도의 얽힘을 포함하는 콘도 불순물 모델과 일치한다.
• 게이트 전압, 편향 전압, 마이크로파 입력 전력에 따라 시스템의 위상도가 실험적으로 맵핑되었으며, 조절 가능한 콘도 행동이 드러났다.
• 공진기의 반응은 DQD의 many-body 상태에 민감하여 콘도 효과의 비파괴적 탐지가 가능하다.
• 특정 조건에서 콘도 공명이 안정화되어 DQD 내에서의 응집된 many-body 상관관계가 존재함을 시사한다.
• 결과적으로 비균형 양자 불순물 물리학을 연구할 잠재력이 있는 기능성 양자전자역학 콘도 회로를 실현하였다.