[논문 리뷰] Microwave-frequency scanning gate microscopy of a Si/SiGe double quantum dot

Artem O. Denisov, Seong W. Oh외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 11.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 55인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 Si/SiGe 더블 양자점에서 금속성 AFM 프로브를 광학적으로 정의된 장치에 통합된 전하 센서와 결합함으로써 마이크로파 주파수의 스캐닝 게이트 현미경을 구현한다. 이 기술은 국소적인 DC 및 마이크로파 제어를 가능하게 하여 전자 점유율을 조절하고, 광자 보조 터널링을 통해 고도의 상태를 해석함으로써 64 µeV 에너지 분할을 규명하였으며, 이는 실리콘 이종구조에서의 밸리 분열과 일치하는 것으로, 스핀 큐비트 응용에 핵심적인 양자 상태의 공간 해상도를 가진 분광법을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Conventional quantum transport methods can provide quantitative information on spin, orbital, and valley states in quantum dots, but often lack spatial resolution. Scanning tunneling microscopy, on the other hand, provides exquisite spatial resolution of the local electronic density of states, but often at the expense of speed. Working to combine the spatial resolution and energy sensitivity of scanning probe microscopy with the speed of microwave measurements, we couple a metallic probe tip to a Si/SiGe double quantum dot that is integrated with a local charge detector. We first demonstrate that a dc-biased tip can be used to change the charge occupancy of the double dot. We then apply microwave excitation through the scanning tip to drive photon-assisted tunneling transitions in the double dot. We infer the double dot energy level diagram from the frequency and detuning dependence of the photon-assisted tunneling resonance condition. These measurements allow us to resolve $\sim$65 $\mu$eV excited states, an energy scale consistent with typical valley splittings in Si/SiGe. Future extensions of this approach may allow spatial mapping of the valley splitting in Si devices, which is of fundamental importance for spin-based quantum processors.

연구 동기 및 목표

• 양자 장치를 연구하기 위해 고공간 해상도와 마이크로파 주파수 감도를 결합한 스캐닝 프로브 기술을 개발하는 것.
• 확장 가능한 스핀 큐비트에 있어 핵심 과제인 Si/SiGe 이종구조에서의 밸리 분열에 대한 공간 해상도 측정 기술의 부족을 해결하는 것.
• 편향된 마이크로파 주파수로 진동하는 AFM 프로브를 사용하여 더블 양자점의 국소적 제어 및 분광법을 구현하는 것.
• 실리콘 기반의 양자점에서의 고도 상태 및 에너지 준위 구조를 정량적으로 맵핑하는 것.

제안 방법

• 편향-T를 통해 금속성 AFM 프로브가 Si/SiGe 더블 양자점(DQD)에 결합되어 동시에 DC 편향과 마이크로파 주입이 가능하도록 한다.
• DQD는 전자 점유율 변화를 고감도로 감지할 수 있도록 양자점 전하 센서와 통합되어 있다.
• 프로브를 통한 마이크로파 주입은 광자 보조 터널링(PAT) 전이를 유도하며, 이는 고도 상태의 분광법을 가능하게 한다.
• 전류 측정(ID 및 IS)에서 유도된 전하 안정성 다이어그램을 통해 게이트 전압에 따른 전자 점유율을 맵핑한다.
• PAT 데이터에서 용량 행렬을 추출하여 프로브의 DQD에 대한 결합 정도를 정량화하며, 형식 Q = C·V를 따른다.
• 세 수준 해밀토니안 모델을 사용하여 PAT 데이터를 피팅하며, 왼쪽 양자점의 기본 및 고도 상태와 오른쪽 양자점의 기본 상태를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로파 주파수 제어와 함께 고공간 해상도로 Si/SiGe 더블 양자점 내 전자 점유율을 국소적으로 조절하는 데 스캐닝 게이트 프로브를 사용할 수 있는가?
• RQ2 DQD 내 고도 상태의 에너지 척도는 얼마이며, 마이크로파 주입에 의한 광자 보조 터널링을 통해 이를 해석할 수 있는가?
• RQ3 관측된 에너지 분할은 실리콘에서의 밸리 분열과 일치하는가, 그리고 이를 공간적으로 맵핑할 수 있는가?
• RQ4 프로브의 DQD에 대한 결합이 에너지 준위 구조에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 정량적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ5 이 기술을 통해 Si/SiGe 이종구조에서의 밸리 분열에 대한 공간 해상도 분광법을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 마이크로파 주파수 스캐닝 게이트 현미경은 약 65 µeV의 에너지 해상도로 더블 양자점 내 고도 상태를 성공적으로 해석하였다.
• PAT 데이터에서 왼쪽 양자점의 기본 상태와 고도 상태 사이에 64 µeV의 에너지 분할이 추출되었으며, 이는 일반적으로 Si/SiGe 이종구조에서 관찰되는 밸리 분할과 일치한다.
• DC 편향 프로브를 통한 국소적 전자 점유율 조절이 가능하여, 이는 이동 가능한 플러저 게이트로 작용한다.
• 실험적으로 추출된 용량 행렬은 약 0.023 aF의 프로브-양자점 용량을 보여주며, 약한 그러나 측정 가능한 결합을 확인한다.
• 마이크로파 주입이 적용되었을 경우 전하 안정성 다이어그램에 명확한 줄무늬 형태의 광자 보조 터널링 공명이 나타나, 일관된 마이크로파 제어를 확인한다.
• 세 수준 모델 피팅 결과로 두 양자점 간의 터널 결합은 16 µeV, 전이 에너지는 64 µeV로 도출되었으며, 이는 밸리 분할에 대한 문헌 값과 일치한다.