[論文レビュー] Coherent control and spectroscopy of a semiconductor quantum dot Wigner molecule

J. Corrigan, J. P. Dodson+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 50被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、強い電子-電子相関が支配するウィグナー分子状態領域にあり、シリコン二重量子ドットで8つの異なる電子共鳴状態のコherentなマイクロ波制御を実証した。qubitの読み出しとラムゼイ分光法を用いて、これらの状態がウィグナー分子物理学に起因することを特定した。フルコンフィギュレーション相互作用（FCI）計算により、単粒子エネルギースケールよりもはるかに低い位置に局在的で強く相関した電子状態が存在することが確認された。

ABSTRACT

Multi-electron semiconductor quantum dots have found wide application in qubits, where they enable readout and enhance polarizability. However, coherent control in such dots has typically been restricted to only the lowest two levels, and such control in the strongly interacting regime has not been realized. Here we report quantum control of eight different resonances in a silicon-based quantum dot. We use qubit readout to perform spectroscopy, revealing a dense set of energy levels with characteristic spacing far smaller than the single-particle energy. By comparing with full configuration interaction calculations, we argue that the dense set of levels arises from Wigner-molecule physics.

研究の動機と目的

• 多電子半導体量子ドットにおいて、最低2準位を超える多数の電子状態のコherent制御を達成すること。
• 強い相関が支配するウィグナー分子状態領域における二重量子ドットの電子構造を調査すること。
• 単粒子の閉じ込めエネルギーに比べてはるかに小さいエネルギー間隔を示す高密度な準位の集合の起源を特定すること。
• フルコンフィギュレーション相互作用（FCI）計算との比較により、ウィグナー分子物理学の存在を検証すること。
• 低温環境における周波数依存減衰を補正するためのパルス補正技術の開発と応用。

提案手法

• パルスマイクロ波ラビおよびラムゼイ分光法を用いて、シリコンベースの二重量子ドットにおける多体状態間のコherent遷移を駆動した。
• 左リザーバー内の量子ドットを用いた電荷センシングによるqubit読み出しにより、状態分布のラッチ付き測定が可能になった。
• ゲート電圧（δVP2）の関数として、デチューニング依存のラビおよびラムゼイ振動を測定し、(3,2)電荷配置にわたるエネルギー準位をマッピングした。
• 時間領域でのラビダイナミクスのシミュレーションを用いて、デチューニングの関数としての振動の時間的変化をモデル化した。
• 左ドットの基底状態と右ドットの5つの励起状態との間の結合を記述する5準位有効ハミルトニアンモデル（式S3）を構築した。
• 冷蔵庫内での周波数依存減衰を補正するために、S21測定と逆FFTを用いたパルス補正技術を適用した。
• ラムゼイデータの後処理には、分散の最小値を合わせるための指数関数的減衰関数（A(1 + be−t/τ)）のフィッティングを用い、正確なデチューニングキャリブレーションを可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多電子量子ドットにおいて、最低2準位を超えるコherent制御は可能か？
• RQ2 分光法で観測された高密度なエネルギー準位集合の起源は何か、その間隔は単粒子の閉じ込めエネルギーに比べて著しく小さい。
• RQ3 これらの準位は強い電子-電子相関に起因するウィグナー分子物理学に由来するか？
• RQ4 単純な有効ハミルトニアンモデルが観測された分光的特徴を正確に記述できるか？
• RQ5 パルス歪みと周波数依存減衰はコherent制御にどのように影響を及ぼし、それらをどのように補正できるか？

主な発見

• 3.3〜8.3 GHzの範囲で8つの明確な共鳴状態がコherent制御され、多体状態の高密度な集合が示された。
• 準位間隔が単粒子の閉じ込めエネルギーに比べて著しく小さいことから、強い相関効果が顕在した。
• フルコンフィギュレーション相互作用（FCI）計算により、観測された準位構造が局在的かつ相関した電子状態を伴うウィグナー分子物理学に起因することが確認された。
• 実験データは、右ドットの5つの相関励起状態が左ドットの基底状態と結合する5準位有効ハミルトニアンモデル（式S3）でよくフィットした。
• モデルパラメータ（エネルギーEnおよびトンネル結合Δn）は、ラムゼイ分光法およびラビ測定により制約され、E5とΔ5は高デチューニングのラムゼイデータから、E15は低デチューニングデータから決定された。
• シミュレーションにより、初期化パルス中に第一励起状態（ρ1 ≈ 8.3%）に顕著な励起が生じることが示され、実験観測と整合的であった。