[논문 리뷰] Non-reciprocal Pauli Spin Blockade in a Silicon Double Quantum Dot

Theodor Lundberg, David J. Ibberson외 13명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 19.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 54인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비상호성 있는 파울리 스핀 차폐(PSB)의 첫 실험적 관측을 보고한다. 이는 실리콘 双양자점에서 스핀 양자상태 간 비탄성 터널링에 의해 발생한다. 16개의 전하 구성에서 분산 자기스펙트로스코피를 수행한 결과, 전자 스핀 상태 간 7.90 μeV의 결합이 확인되었으며, 이는 지금까지 보고된 바 중 가장 큰 값이다. 이는 강화된 스핀-오비탈 결합을 시사하며, 전기 dipole 스핀 공진(EDSR)을 통한 전기적 스핀 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Spin qubits in gate-defined silicon quantum dots are receiving increased attention thanks to their potential for large-scale quantum computing. Readout of such spin qubits is done most accurately and scalably via Pauli spin blockade (PSB), however various mechanisms may lift PSB and complicate readout. In this work, we present an experimental observation of a new, highly prevalent PSB-lifting mechanism in a silicon double quantum dot due to incoherent tunneling between different spin manifolds. Through dispersively-detected magnetospectroscopy of the double quantum dot in 16 charge configurations, we find the mechanism to be energy-level selective and non-reciprocal for neighbouring charge configurations. Additionally, using input-output theory we report a large coupling of different electron spin manifolds of 7.90 $μ$eV, the largest reported to date, indicating an enhanced spin-orbit coupling which may enable all-electrical qubit control.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 이중 양자점에서 파울리 스핀 차폐(PSB)를 해제시키는 메커니즘을 조사하여 고정밀도 스핀 큐비트 독독을 악화시키는 원인를 밝히는 것.
• CMOS 호환성 있는 실리콘 이중 양자점에서 비상호성 있고 에너지 준위 선택적인 PSB 해제 메커니즘을 식별하고 특성화하는 것.
• 입출력 이론과 분산 감지 기법을 사용하여 서로 다른 전자 스핀 만도 간의 결합을 정량화하는 것.
• 강화된 스핀-오비탈 결합이 실리콘 스핀 큐비트에서 전기적 스핀 조작에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 초전도성 LC 공진기와 게이트 G_T1를 통해 연결된 장치에 대해 실리콘 이중 양자점의 분산 자기스펙트로스코피를 수행한다.
• 16개의 전하 구성에서 상대적 위상 이동을 자기장에 따라 측정하며, 이는 상호 전하 전이(ICT) 점으로 확인된다.
• 입출력 이론을 적용하여 매개변수적 정전용량을 모델링하고, 양자 기여와 터널링 기여로 분해하여 위상 응답을 시뮬레이션한다.
• 일반적인 극화 및 점유 확률 표현식을 사용하여 빠른 및 느린 리아케이션 영역에서의 매개변수적 정전용량 응답을 모델링한다.
• 에너지 분할, 터널 결합 및 열 점유 확률을 사용하여 자기스펙트럼을 시뮬레이션하며, 실험 데이터에서 유도된 파rameter를 관측된 특징에 맞추어 피팅한다.
• 고자기장 영역에서 랑두-젠저 전이 효과를 통합하여 0.2 T 이상에서 위상 이동 신호가 억제됨을 시뮬레이션에 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 이중 양자점에서 비상호성 있는 파울리 스핀 차폐 해제를 일으키는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 스핀 만도 간 비탄성 터널링이 서로 다른 전하 구성에서 PSB의 분산 감지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 시스템에서 서로 다른 전자 스핀 만도 간의 결합 강도는 얼마인가?
• RQ4 관측된 PSB 해제 거동과 공진기 응답으로부터 강화된 스핀-오비탈 결합을 유추할 수 있는가?
• RQ5 큰 스핀-오비탈 결합이 실리콘 스핀 큐비트에서 전기적 스핀 큐비트 제어에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비탄성 터널링에 의해 유도되는 새로운 PSB 해제 메커니즘이 관측되었으며, 이는 인접한 전하 구성에서 에너지 준위 선택적이고 비상호성 있는 특성을 띤다.
• 입출력 이론을 사용하여 서로 다른 전자 스핀 만도 간의 결합을 7.90 μeV로 정량화하였으며, 이는 지금까지 보고된 바 중 가장 큰 값이다.
• 이 큰 결합은 강화된 스핀-오비탈 결합을 시사하며, 전기-dipole 스핀 공진(EDSR)을 통한 전기적 스핀 조작을 가능하게 할 수 있다.
• 이 PSB 해제 메커니즘은 16개의 전하 구성 전역에서 관찰되었으며, (6,9)-(7,8)과 (5,10)-(6,9) ICT 모두에서 비상호성 행동이 확인되었다.
• 양자 및 터널링 정전용량 기여를 모두 포함한 입출력 이론 기반 시뮬레이션은 측정된 자기스펙트럼을 정확히 재현하며, PSB 해제에 빠른 리아케이션의 역할을 확인한다.
• 고자기장 영역(>0.2 T)에서 랑두-젠저 전이의 존재로 인해 위상 이동 신호가 억제되며, 이는 실험 관측과 일치한다.