[论文解读] A Quantum Electrodynamics Kondo Circuit with Orbital and Spin Entanglement

Guangwei Deng, Loïc Henriet+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用 3

一句话总结

本文展示了将石墨烯双量子点（DQD）耦合至超导微波谐振器，实现了一种量子电动力学基态的Kondo电路，其中电荷、自旋和轨道自由度相互纠缠。在低温和电荷简并点条件下，微波反射光谱揭示了Kondo或Abrikosov-Suhl共振的形成，通过栅压、偏置和微波功率的调控，证实了完整的相图映射。

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.

研究动机与目标

• 设计一种混合介观器件，将石墨烯双量子点（DQD）与超导微波谐振器结合，用于研究非平衡量子杂质物理。
• 利用强光-物质耦合，探索Kondo类系统中电荷、自旋和轨道自由度之间的相互作用。
• 绘制系统在栅压、偏置电压和微波输入功率作为函数的完整相图。
• 通过微波反射光谱实验观测并表征Kondo或Abrikosov-Suhl共振。

提出的方法

• 在芯片上制备石墨烯双量子点（DQD）作为人造原子，电容耦合至超导微波谐振器。
• 施加栅压，将DQD调制至电荷简并点，使Kondo物理效应显现。
• 测量谐振器的微波反射光谱，以探测DQD的动力学及其与光子场的耦合。
• 改变偏置电压和微波输入功率，进入非平衡区域，研究Kondo共振的演化。
• 分析光谱响应，识别低温下Kondo或Abrikosov-Suhl共振的特征信号。
• 利用谐振器作为灵敏探针，在参数空间中绘制系统的完整相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯双量子点与微波谐振器之间的耦合，如何揭示具有纠缠电荷、自旋和轨道自由度系统中的Kondo物理？
• RQ2 在低温下，Kondo或Abrikosov-Suhl共振在微波反射光谱中的特征信号是什么？
• RQ3 系统相图如何随栅压、偏置电压和微波输入功率演化？
• RQ4 谐振器能否用作非侵入式探针，以检测介观DQD系统中Kondo共振的形成？
• RQ5 轨道和自旋自由度在该混合量子电路中Kondo效应的出现过程中起什么作用？

主要发现

• 在电荷简并点和低温条件下，微波反射光谱清晰显示出Kondo或Abrikosov-Suhl共振的特征信号。
• 观测到的共振与涉及电荷、自旋和轨道自由度纠缠的Kondo杂质模型一致。
• 系统相图已通过栅压、偏置电压和微波输入功率的实验映射，揭示了可调制的Kondo行为。
• 谐振器的响应对DQD的多体态敏感，实现了对Kondo效应的非侵入式探测。
• 在特定调制条件下，Kondo共振得以稳定，表明DQD中存在相干多体关联。
• 结果证明了功能性量子电动力学Kondo电路的实现，具有研究非平衡量子杂质物理的潜力。