[논문 리뷰] Spin-Valley Protected Kramers Pair in Bilayer Graphene

Artem O. Denisov, Veronika Reckova외 12명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 13.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 외부 자기장 하에 스핀-밸리 락킹에 의해 보호되는 이중층 그래핀 큐비트에서 초장수명의 스핀-밸리 리스크렐레이션 시간을 실험적으로 입증한다. 이는 동시에 스핀과 밸리가 전환되는 것을 억제함으로써 발생하며, 30초가 넘는 초장수명의 리스크렐레이션 시간을 달성하여 일반적인 스핀 리스크렐레이션 시간보다 약 두 배수 정도 긴 수준을 기록한다.

ABSTRACT

The intrinsic valley degree of freedom makes bilayer graphene (BLG) a unique platform for semiconductor qubits. The single-carrier quantum dot (QD) ground state exhibits a two-fold degeneracy, where the two states that constitute a Kramers pair, have opposite spin and valley quantum numbers. Because of the valley-dependent Berry curvature, an out-of-plane magnetic field breaks the time-reversal symmetry of this ground state and a qubit can be encoded in the spin-valley subspace. The Kramers states are protected against known spin- and valley-mixing mechanisms because mixing requires a simultaneous change of both quantum numbers. Here, we fabricate a tunable QD device in Bernal BLG and measure a spin-valley relaxation time for the Kramers states of ${38~\mathrm{s}}$, which is two orders of magnitude longer than the ${0.4~\mathrm{s}}$ measured for purely spin-blocked states. We also show that the intrinsic Kane-Mele spin-orbit splitting enables a Kramers doublet single-shot readout even at zero magnetic field with a fidelity above ${99\%}$. If these long-lived Kramers states also possess long coherence times and can be effectively manipulated, electrostatically defined QDs in BLG may serve as long-lived semiconductor qubits, extending beyond the spin qubit paradigm.

연구 동기 및 목표

• 이중층 그래핀의 스핀-밸리 자유도를 활용하여 강건한 반도체 큐비트 플랫폼을 실현하고자 한다.
• 이중층 그래핀에 인코딩된 Kramers 큐비트가 스핀-밸리 하위공간에서 두 차원적으로 정의되며, 일반적인 디코herence 메커니즘으로부터 보호된다는 것을 입증하고자 한다.
• 작은 자기장 및 영 자기장 조건에서 단일 구멍 이중층 그래핀 큐비트에서의 초장수명 리스크렐레이션 시간을 측정하고 검증하고자 한다.
• 양자 정보 처리에 필수적인 고정밀 단일 스타일 전하 독출을 달성하고자 한다.
• 고품질 2차원 이종구조에서 밸리 자유도의 공명 제어 가능성을 탐색하고자 한다.

제안 방법

• 헥사고날 밀리터리트 니트라이드 봉입과 분할 게이트 전기적 제어를 사용하여 고품질의 이중층 그래핀 큐비트 장치를 제작하였다.
• 초기화 및 상태 측정에 단일 스타일 감도를 갖춘 '로드', '대기', '독출' 단계로 구성된 3단계 펄스 프로토콜을 적용하였다.
• '독출' 단계 동안 특징적인 '블립' 신호를 통해 기저 상태 또는 옹진 상태에 구멍이 존재하는지를 전하 센서 전류를 통해 감지하였다.
• '독출' 단계 동안 '블립' 밀도의 지수 감쇠를 분석하여 리스크렐레이션 시간을 측정하였으며, 터널링 속도는 감쇠 와이어에서 추출되었다.
• 에너지 간격을 조절하고 리스크렐레이션 경로를 탐사하기 위해 가변적인 면내 및 외면 자기장을 적용하였다.
• 장치의 전위를 모델링하고 관측된 리스크렐레이션 역학을 검증하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 그래핀의 Kramers 큐비트가 스핀-밸리 락킹 덕분에 기존의 스핀 큐비트보다 훨씬 긴 리스크렐레이션 시간을 보일 수 있는가?
• RQ2 외면 자기장에 의한 시간역행 대칭의 파괴가 Kramers 더블렛을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 동일한 시스템 내에서 Kramers 큐비트의 리스크렐레이션 시간이 단일 스핀 큐비트의 그것과 비교해 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ4 최소한의 전하 노이즈 조건에서도 이중층 그래핀 큐비트에서 고정밀 단일 스타일 독출을 달성할 수 있는가?
• RQ5 주요 리스크렐레이션 메커니즘은 무엇이며, 왜 상호 밸리 교차점 근처에 리스크렐레이션 핫스팟이 존재하지 않는가?

주요 결과

• 이중층 그래핀 Kramers 큐비트는 작은 (40 mT) 및 영 외면 자기장 조건에서 30초가 넘는 리스크렐레이션 시간을 기록하였다.
• 이 리스크렐레이션 시간은 동일한 시스템 내에서 스핀 전용 리스크렐레이션 시간인 400 ms보다 약 두 배수 정도 길다.
• 신호 대 노이즈 비율 약 4.9를 기록하여 독출 정밀도가 99.9%를 초과하는 고정밀 단일 스타일 독출을 달성하였다.
• 상호 밸리 교차점 근처에 리스크렐레이션 핫스팟이 존재하지 않는 것은 밸리 혼합 속도가 2 neV 이하 (~0.5 MHz)로 매우 느리며, 이는 강건한 밸리 자유도를 뒷받침한다.
• 열 활성화 및 전하 노이즈는 독출에서 '블립'의 원인이 되지 않음을 규명하였으며, 관측된 단일 '블립' 통계는 무작위 변동이 아닌 터널링 역학과 일치하였다.
• 관측된 초장수명 리스크렐레이션 시간은 이전 기준에 따라 고신뢰성 양자 정보 처리를 위한 최소 기준을 충족한다.