[论文解读] Clean quantum point contacts in an InAs quantum well grown on a lattice-mismatched InP substrate

Connie L. Hsueh, Praveen Sriram+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 59被引用 4

一句话总结

本研究在晶格失配的InP衬底上外延生长的InAs量子阱中实现了洁净的栅控量子点接触（QPC），在零磁场下实现了多达八个量子化的电导平台。尽管存在3.3%的晶格失配，QPC仍表现出高稳定性与清晰分辨的子能带间距（~5 meV），且垂直方向的g因子显著增强至|g*⊥| = 27±1，这是由于很多体交换相互作用所致，证实该材料在拓扑量子器件方面具有潜力。

ABSTRACT

Strong spin-orbit coupling, the resulting large $g$ factor, and small effective mass make InAs an attractive material platform for inducing topological superconductivity. The surface Fermi level pinning in the conduction band enables highly transparent ohmic contact without excessive doping. We investigate electrostatically defined quantum point contacts (QPCs) in a deep-well InAs two-dimensional electron gas. Despite the 3.3% lattice mismatch between the InAs quantum well and the InP substrate, we report clean QPCs with up to eight pronounced quantized conductance plateaus at zero magnetic field. Source-drain dc bias spectroscopy reveals a harmonic confinement potential with a nearly $5$ meV subband spacing. We find a many-body exchange interaction enhancement for the out-of-plane $g$ factor $|g_{\perp}^*| = 27 \pm 1$, whereas the in-plane $g$ factor is isotropic $|g^*_{x}| = |g^*_{y}| = 12 \pm 2$, close to the bulk value for InAs.

研究动机与目标

• 展示在具有显著晶格失配的InAs/InP异质结构中实现高质量、静电调控的量子点接触（QPC）。
• 评估在晶格失配衬底上高迁移率InAs二维电子气（2DEG）的输运特性与很多体相互作用。
• 评估利用InAs/InP异质结构作为可扩展的拓扑量子器件与自旋量子比特平台的可行性。
• 表征QPC中的有效g因子与子能带结构，以探测自旋-轨道耦合与很多体效应。

提出的方法

• 通过电子束光刻与干法刻蚀，在分子束外延（MBE）生长的InAs/InGaAs/InP异质结构上制备QPC，该异质结构包含900 nm的InAlAs渐变缓冲层。
• 采用120 nm的InAlAs帽层以电学隔离2DEG与表面态，降低散射。
• 在1.5 K下测量电导随栅压（Vg）与源-漏偏压的变化，以探测量子化电导平台与子能带结构。
• 施加磁场，通过塞曼分裂的电导台阶提取面内与垂直方向的g因子。
• 利用有限偏压谱学方法提取子能带间距，并验证谐振势阱的约束形式。
• 通过重复Vg扫描与多次冷却循环后的长期电导监测，测试QPC的稳定性和可重复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在应变与潜在缺陷，是否可在晶格失配的InP衬底上外延生长的InAs量子阱中实现洁净且清晰分辨的量子点接触？
• RQ2 通过电导量子化与偏压谱学，QPC中的子能带间距与约束势阱形状如何？
• RQ3 QPC中面内与垂直方向的有效g因子与体材料InAs值相比如何？这反映了哪些很多体相互作用的特征？
• RQ4 InAs与InP之间的晶格失配在多大程度上降低器件性能？是否仍可实现高质量QPC？
• RQ5 QPC在长时间运行与重复栅压扫描下是否稳定？其可重复性受哪些因素影响？

主要发现

• QPC在零磁场下表现出多达八个清晰分辨的量子化电导平台，表明在一维通道中实现了高质量的弹道输运。
• 源-漏直流偏压谱学揭示了谐振势阱约束，子能带间距约为5 meV。
• 面内g因子各向同性且接近体材料InAs值：|g*ₓ| = |g*ᵧ| = 12±2。
• 垂直方向g因子因很多体交换相互作用而显著增强：|g*⊥| = 27±1，远高于体材料的~15。
• QPC在长时间运行与重复栅压扫描中表现出优异稳定性，一小时内电导变化在1.5%以内，十次双向扫描的滞后仅约1 mV。
• 尽管存在3.3%的晶格失配，器件性能仍保持极低退化，表明InP衬底可支持高质量的InAs基纳米结构。