[논문 리뷰] Spin-orbit dynamics of single acceptor atoms in silicon

Joost van der Heijden, Takashi Kobayashi외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 10.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 CMOS 트anz이터 플랫폼을 사용하여 실리콘 내 단일 볼론 수용체 원자에서 조절 가능한 스핀-오비트 동역학을 입증한다. 국소적 스트레인과 전기장의 공학을 통해 무거운 빛자기 상태 혼합을 제어함으로써, 스핀 붕괴 속도가 1,000배 이상 증가하는 수준의 반대교차점에서 붕괴 핫스팟이 드러나며, 이는 확장 가능한 양자 기술을 위한 큐비트 동기화와 듀얼폴 전기적 결합을 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Two-level quantum systems with strong spin-orbit coupling allow for all-electrical qubit control and long-distance qubit coupling via microwave and phonon cavities, making them of particular interest for scalable quantum information technologies. In silicon, a strong spin-orbit coupling exists within the spin-3/2 system of acceptor atoms and their energy levels and properties are expected to be highly tunable. Here we show the influence of local symmetry tuning on the acceptor spin-dynamics, measured in the single-atom regime. Spin-selective tunneling between two coupled boron atoms in a commercial CMOS transistor is utilised for spin-readout, which allows for the probing of the two-hole spin relaxation mechanisms. A relaxation-hotspot is measured and explained by the mixing of acceptor heavy and light hole states. Furthermore, excited state spectroscopy indicates a magnetic field controlled rotation of the quantization axes of the atoms. These observations demonstrate the tunability of the spin-orbit states and dynamics of this spin-3/2 system.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 내 단일 수용체 원자의 스핀-오비트 결합과 수준 구성 제어를 입증하는 것.
• 국소 대칭성, 스트레인, 전기장이 무거운 빛자기 상태 혼합과 분리에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 단일 원자 영역에서의 스핀-역학, 특히 붕괴 메커니즘과 동기화 시간을 탐구하는 것.
• 긴 동기화 시간과 강한 전기적 듀얼폴 결합을 갖는 수용체 기반 스핀-오비트 큐비트의 실현 가능성을 확립하는 것.
• 수용체의 양자 환경을 조절하여 마이크로파 공진기와의 전기적 전역 결합 및 모든 전기적 큐비트 제어를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 고도로 발전된 실리콘 CMOS 트anz이터를 사용하여 이중 수용체 (1,1) 및 (2,0) 전하 상태에서 단일 볼론 수용체 원자를 고정하고 전기적으로 제어한다.
• 두 볼론 원자 간의 스핀 선택적 터널링을 활용하여 높은 정밀도로 이중 빛자기 스핀 상태를 읽어내는 방법을 적용한다.
• 전하 및 스핀 상태를 1µeV 이하의 감도로 감지하기 위해 분산형 무선 주파수 게이트 반사도 측정법을 사용한다.
• 자기장 의존성 붕괴 속도 측정 및 자극 상태 스펙트로스코피를 수행하여 수준 반대교차점을 매핑한다.
• 피팅된 실험 데이터로부터 유도된 해밀토니안 매개변수를 사용하여, 결합된 무거운 빛자기 상태(S_HH)와 빛자기 상태(Q_LH)를 포함하는 이중 수준 모델을 사용하여 반대교차를 기술한다.
• 0 디트루닝 조건에서 혼합 상태의 빛자기 성질을 다음 공식을 사용하여 계산한다: ξ_E=0 = 2t_SQ² / [(ΔE)² + (2t_SQ)²], 이는 관측된 붕괴 증폭과 직접 연결된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소적 스트레인과 전기장 조절이 실리콘 내 단일 수용체 원자에서 무거운 빛자기 상태 혼합과 분리에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 수용체 시스템의 스핀-역학에서 관측된 붕괴 핫스팟의 기원과 크기는 무엇인가?
• RQ3 외부 자기장으로 인해 빛자기 스핀 시스템의 정렬 축을 기울일 수 있으며, 이는 스핀 붕괴에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스핀-오비트 결합과 듀얼폴 매트릭스 요소를 얼마나 조절할 수 있는가? 이를 통해 큐비트 동기화와 전기적 제어를 최적화할 수 있는가?
• RQ5 수준 반대교차점이 강한 스핀-오비트 결합을 가능하게 하고 붕괴 속도를 증가시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 스핀 붕괴 속도가 1,000배 이상 증가하는 붕괴 핫스팟이 관측되었으며, A_SQ 상태에서 1 T에서 측정된 붕괴 시간은 0.5 µs였다.
• 핫스팟은 S_HH와 Q_LH²⁻ 상태 사이의 피하기적 수준 반대교차로 인해 발생하며, 혼합 상태의 성질 덕분에 빛자기에서 무거운 빛자기 상태로의 붕괴가 가능해진다.
• 반대교차점에서의 빛자기 성질은 ξ_E=0 = 2t_SQ² / [(ΔE)² + (2t_SQ)²] 공식을 통해 계산되었으며, 이는 관측된 붕괴 증폭과 직접 연결된다.
• 붕괴 속도는 에너지 분리에 따라 (ħω)³ 비례함을 확인하였으며, 이는 빛자기 상태 간의 전기적 듀얼폴 전이와 일치한다.
• 자극 상태 스펙트로스코피를 통해 외부 자기장이 빛자기 스핀 시스템의 정렬 축을 조절하여 무거운-빛자기 상태 혼합을 조절할 수 있음을 밝혔다.
• 핫스팟이 더 높은 자기장 영역으로 이동할 경우, 무거운-빛자기 분리가 증가하거나 g-팩터가 감소함에 따라 약 0.5 T에서 1 ms 이상의 붕괴 시간 예측 가능하다.