[논문 리뷰] Controlling the error mechanism in a tunable-barrier non-adiabatic charge pump by dynamic gate compensation

F. Hohls, Vyacheslavs Kashcheyevs외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 20.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 44인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 GaAs 기반의 테이블러리스 비아디아바틱 단일 전자 펌프에서 플러저-바리어 비율 ∆ptb 를 제어하여 동적 게이트 보정을 통해 역터널링 오차를 억제함으로써, 동역학적 게이트 보정을 구현한다. 두 번째 게이트를 조절하여 효과적인 에너지 수준 이동 속도를 느리게 함으로써, 자외선 자기장이 없는 조건에서도 오차 억제를 몇 개의 주요 차수만큼 달성하였으며, 실험적으로 ppm 이하 정밀도로 검증되었고, 이는 붕괴 계단 모델을 확인하고 열 오차 지배 영역으로의 제어 가능한 전이를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Single-electron pumps based on tunable-barrier quantum dots are the most promising candidates for a direct realization of the unit ampere in the recently revised SI: they are simple to operate and show high precision at high operation frequencies. The current understanding of the residual transfer errors at low temperature is based on the evaluation of backtunneling effects in the decay cascade model. This model predicts a strong dependence on the ratio of the time dependent changes in the quantum dot energy and the tunneling barrier transparency. Here we employ a two-gate operation scheme to verify this prediction and to demonstrate control of the backtunneling error. We derive and experimentally verify a quantitative prediction for the error suppression, thereby confirming the basic assumptions of the backtunneling (decay cascade) model. Furthermore, we demonstrate a controlled transition from the backtunneling dominated regime into the thermal (sudden decoupling) error regime. The suppression of transfer errors by several orders of magnitude at zero magnetic field was additionally verified by a sub-ppm precision measurement.

연구 동기 및 목표

• 비아디아바틱 단일 전자 펌프에서 동적 게이트 보정을 통해 역터널링 오차를 제어하고 억제하는 것.
• 오차 억제에 대한 붕괴 계단 모델의 정량적 예측을 실험적으로 검증하는 것.
• 역터널링 지배 영역에서 열 오차 지배 영역으로의 제어 가능한 전이를 보여주는 것.
• SI 암페어 실현을 위한 정밀도를 검증하기 위해 전류 측정의 불확도를 ppm 이하로 달성하는 것.

제안 방법

• 양자점 내에서 효과적인 에너지 수준 이동 속도를 느리게 하기 위해, 동적으로 조절되는 두 번째 게이트를 사용한 이중 게이트 작동 방식을 적용하였다.
• 기하학적 추론을 통해 게이트 전압 변화 비율에 기반한 오차 억제의 정량적 예측을 유도하였다.
• 고주파 노이즈를 최소화하기 위해 고속 신호 발생기(12 GS/s)를 사용하여 맞춤형 웨이브폼을 적용하고, 저역통과 필터를 적용하였다.
• 100 mK에서 수행된 측정에서, ppm 이하의 전류 노이즈 수준을 확보하기 위해 초고안정 저노이즈 전류 증폭기(ULCA)를 사용하였다.
• 최적의 작동점을 식별하기 위해 V_DC1–V_DC2 평면에서 이차원적 펌핑 맵을 확보하였다.
• 오차 억제를 검증하기 위해 불확도가 0.2 ppm 이하인 정밀 전류 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 게이트 보정은 비아디아바틱 단일 전자 펌프에서 역터널링 오차를 억제할 수 있는가?
• RQ2 관측된 오차 억제는 붕괴 계단 모델의 정량적 예측과 일치하는가?
• RQ3 시스템은 역터널링 지배 영역에서 열적 오차 지배 영역으로 조절 가능한가?
• RQ4 역터널링 오차가 몇 개의 주요 차수만큼 억제된 상태에서 펌프의 달성 가능한 정밀도는 무엇인가?

주요 결과

• 동적 게이트 보정을 통해 역터널링 오차가 몇 개의 주요 차수만큼 억제되었으며, 전류 측정의 불확도가 ppm 이하로 달성되었다.
• 실험 결과는 플러저-바리어 비율 ∆ptb 에 기반한 붕괴 계단 모델의 오차 억제 정량적 예측을 확인하였다.
• 게이트 조절을 조절하여 역터널링 지배 영역에서 열 오차 지배 영역으로의 제어 가능한 전이를 성공적으로 구현하였다.
• 역터널링 오차가 억제된 상태에서 약 13.5 pA(85.4 MHz)의 전류를 생성하였고, 측정된 불확도는 0.2 ppm이었으며, 이는 SI 암페어 실현에 적합함을 검증하였다.
• 외부 자기장을 적용하지 않아도 오차 억제가 가능하여, 이 방법의 강건성을 높이게 되었다.
• 연구는 게이트 공학을 통해 주요 오차 메커니즘을 능동적으로 제어할 수 있음을 확인하였으며, 고정밀 작동이 가능함을 입증하였다.