[논문 리뷰] Long-lived valley states in bilayer graphene quantum dots

Rebekka Garreis, Chuyao Tong외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 03.

Graphene research and applications참고 문헌 52인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 게이트로 정의된 이중층 그래핀 양자점에서 전기적으로 제어 가능한 장수명의 밸리 상태를 입증하며, 밸리 스핀 릴랙세이션 시간이 500 ms를 초과함을 보여주어 스핀 릴랙세이션 시간보다 한 차수 이상 길다. 단일 스풑 파울리 차단 읽기 방법을 통해 저자들은 밸리 상태를 구별하는 데 99% 이상의 정밀도를 달성하였으며, 이는 전기적으로 조절 가능하고 고조화성을 지닌 양자비트로서 이중층 그래핀이 매우 견고한 플랫폼임을 입증한다.

ABSTRACT

Bilayer graphene is a promising platform for electrically controllable qubits in a two-dimensional material. Of particular interest is the ability to encode quantum information in the so-called valley degree of freedom, a two-fold orbital degeneracy that arises from the symmetry of the hexagonal crystal structure. The use of valleys could be advantageous, as known spin- and orbital-mixing mechanisms are unlikely to be at work for valleys, promising more robust qubits. The Berry curvature associated with valley states allows for electrical control of their energies, suggesting routes for coherent qubit manipulation. However, the relaxation time of valley states -- which ultimately limits these qubits' coherence properties and therefore their suitability as practical qubits -- is not yet known. Here, we measure the characteristic relaxation times of these spin and valley states in gate-defined bilayer graphene quantum dot devices. Different valley states can be distinguished from each other with a fidelity of over 99%. The relaxation time between valley triplets and singlets exceeds 500ms, and is more than one order of magnitude longer than for spin states. This work facilitates future measurements on valley-qubit coherence, demonstrating bilayer graphene as a practical platform hosting electrically controlled long-lived valley qubits.

연구 동기 및 목표

• 게이트로 정의된 이중층 그래핀 양자점에서 밸리 상태와 스핀 상태의 릴랙세이션 시간을 측정하기 위해.
• 이중차원 물질에서 밸리 자유도를 견고한 양자비트로 사용할 수 있는지 평가하기 위해.
• 파울리 차단을 통한 단일 스풑 읽기로 밸리 상태를 고정밀도로 구별하기 위해.
• 다양한 자기장과 터널 결합 조건에서 밸리 릴랙세이션 시간과 스핀 릴랙세이션 시간을 비교하기 위해.
• 이중점 간 터널 결합이 밸리 및 스핀 릴랙세이션 역학에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 이중 양자점에서 (1,1) 및 (0,2) 전하 상태를 모니터링하기 위해 용량 결합된 검출기 양자점으로 단일 스풑 전하 감지 방법을 사용하기 위해.
• 시간 해상도 감지를 통해 릴랙세이션 시간을 측정하기 위해 (1,1)과 (0,2) 상태 간 전이를 유도하기 위해 펄스 게이트 전압 프로토콜을 적용하기 위해.
• 수직 자기장을 적용하여 기저 상태를 스핀 트리플렛/밸리 싱글렛에서 밸리 트리플렛/스핀 싱글렛으로 조정함으로써 스핀 또는 밸리 차단 영역에 선택적으로 접근하기 위해.
• 싱글렛 및 트리플렛 상태에 대해 가우시안 분포를 피팅하여 읽기 정밀도를 추출하기 위해 검출기 전압 히스토그램을 분석하기 위해.
• 자기장과 터널 결합 강도를 체계적으로 변화시켜 외부 매개변수에 따른 릴랙세이션 시간의 의존성을 탐색하기 위해.
• 펄스 램프 시간에 따른 목표 상태의 점유 확률을 분석하여 릴랙세이션 시간 $ T_1 $ 를 측정하기 위해, $ T_1 $ 는 인구 감쇠에서 추출된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적으로 조절 가능한 조건에서 이중층 그래핀 양자점의 밸리 상태 릴랙세이션 시간은 얼마인가요?
• RQ2 동일한 시스템에서 밸리 릴랙세이션 시간은 스핀 상태의 릴랙세이션 시간과 비교해 어떻게 되나요?
• RQ3 이중점 간 터널 결합 강도가 밸리 릴랙세이션 역학에 스핀 릴랙세이션에 비해 다르게 영향을 미치는가요?
• RQ4 이중 양자점 장치에서 단일 스풉 읽기로 밸리 상태를 고정밀도로 구별할 수 있는가요?
• RQ5 자기장은 스핀-차단 및 밸리-차단 영역 간 전이에 어떻게 영향을 미치며, 이에 따른 릴랙세이션 시간은 어떻게 변화하나요?

주요 결과

• 수직 자기장 250 mT에서 이중층 그래핀 양자점의 밸리 릴랙세이션 시간은 500 ms를 초과하며, 스핀 릴랙세이션 시간보다 현저히 길다.
• 측정된 밸리 $ T_1 $ 는 스핀 상태의 $ T_1 $ 보다 한 차수 이상 길며, 700 mT에서 최대 60 ms에 이른다.
• 밸리 릴랙세이션 시간은 이중점 간 터널 결합 강도 변화에 대해 안정적이지만, 스핀 릴랙세이션 시간은 터널 결합 증가에 따라 감소함을 보였다.
• 밸리 상태에 대한 단일 스풉 읽기 정밀도는 99.981(2)%에 도달하여 고정밀도 상태 구별 능력을 입증하였다.
• 시험한 자기장 범위 전반에서 스핀 또는 밸리 상태의 $ T_1 $ 에 유의미한 자기장 의존성이 관찰되지 않아 릴랙세이션 역학의 안정성을 시사한다.
• 관측된 장수명의 밸리 상태는 내재된 스핀–밸리 결합 메커니즘보다는 낮은 결함 농도와 유한 체적 효과로 인한 간섭성 산란의 억제로 기인한다.