[论文解读] Coherent Spin Dynamics in Open Driven Double Quantum Dots

Rafael Sánchez, Carlos López-Monís+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2007

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文研究了在交叉的直流与交流磁场下，直流偏置双量子点中的相干自旋动力学，表明由于自旋守恒，自旋三重态会抑制电流流动。通过调节塞曼分裂差异或施加共振双色磁场，可实现电子的相干操控，利用可测量的隧穿电流检测自旋旋转，为探测自旋弛豫时间及实现相干自旋控制提供了途径。

ABSTRACT

We analyze the charge and spin dynamics in a DC biased double quantum dot driven by crossed DC and AC magnetic fields. In this configuration, spatial delocalization due to inter-dot tunnel competes with intra-dot spin rotations induced by the time dependent magnetic field, giving rise to a complicated time dependent behavior of the tunnelling current. When the Zeeman splitting has the same value in both dots and spin flip is negligible, the electrons remain in the triplet subspace (dark subspace) performing coherent spin rotations and the current does not flow. This electronic trapping is removed either by finite spin relaxation or when the Zeeman splitting is different in each quantum dot. In the first case, our results show that measuring the current will allow to get information on the spin relaxation time. In the last case, we will show that applying a resonant bichromatic magnetic field, the electrons become trapped in a coherent superposition of states and electronic transport is blocked. Then, manipulating AC magnetic fields, electrons are driven to perform coherent spin rotations which can be unambiguously detected by direct measurement of the tunneling current.

研究动机与目标

• 理解在直流与交流磁场共同作用下，相干自旋动力学如何影响双量子点中的隧穿电流。
• 研究由于三重态子空间中自旋守恒而导致电子输运被阻塞的条件。
• 证明通过测量隧穿电流可获取有限自旋弛豫存在下的自旋弛豫时间信息。
• 探讨共振双色磁场是否可诱导相干叠加态，从而阻塞输运。
• 建立一种通过直接电流测量实现对相干自旋旋转无歧义检测的方法。

提出的方法

• 通过层间隧穿和时变磁场诱导自旋旋转的模型描述双量子点系统。
• 分析空间非定域化（隧穿）与由时变磁场驱动的层内自旋旋转之间的竞争。
• 聚焦于三重态子空间（暗态），其中自旋守恒过程抑制电流流动。
• 引入有限自旋弛豫以打破自旋简并，恢复电流流动，从而实现自旋弛豫时间的测量。
• 施加共振双色交流磁场，以产生阻塞输运的相干叠加态。
• 利用可调谐交流场驱动相干自旋旋转，其变化可通过隧穿电流的变化检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三重态子空间中，何种条件下由于相干自旋动力学导致隧穿电流消失？
• RQ2 如何利用隧穿电流提取自旋弛豫时间的信息？
• RQ3 两量子点之间塞曼分裂的差异在解除电流阻塞中起什么作用？
• RQ4 共振双色磁场是否可诱导产生阻塞电子输运的相干叠加态？
• RQ5 如何通过直接电流测量无歧义地检测相干自旋旋转？

主要发现

• 当两量子点中塞曼分裂相等且自旋弛豫可忽略时，电子保持在三重态子空间，由于自旋守恒导致隧穿电流为零。
• 有限自旋弛豫打破电流阻塞，使电流恢复流动，该电流可用来从测量中提取自旋弛豫时间。
• 两量子点间塞曼分裂的差异可消除三重态自旋保护，从而实现通过外场的相干控制。
• 施加共振双色磁场可诱导出阻塞电子输运的相干叠加态。
• 由可调谐交流磁场驱动的相干自旋旋转会在隧穿电流中产生可测量的变化，从而实现对自旋动力学的直接检测。
• 该系统可通过直接电流测量实现对相干自旋旋转的无歧义检测，为基于自旋的量子控制提供了可行路径。