[论文解读] Controlling the error mechanism in a tunable-barrier non-adiabatic charge pump by dynamic gate compensation

F. Hohls, Vyacheslavs Kashcheyevs+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 44被引用 7

一句话总结

本文展示了在GaAs基可调势垒非绝热单电子泵中通过动态栅压补偿来抑制隧穿反向错误，方法是控制插层栅极与势垒的比值∆ptb。通过调制第二个栅极以减缓有效能级移动速率，作者在零磁场下实现了数个数量级的误差抑制，实验验证精度达亚ppm量级，证实了衰减级联模型，并实现了从隧穿主导到热误差主导的可控过渡。

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.

研究动机与目标

• 通过动态栅压补偿控制并抑制非绝热单电子泵中的反向隧穿错误。
• 实验验证衰减级联模型对误差抑制的定量预测。
• 展示从反向隧穿主导到热误差主导的误差机制的可控过渡。
• 在电流测量中实现亚ppm量级的不确定度，验证该泵在国际单位安培实现中的精度。

提出的方法

• 采用双栅极操作方案，通过动态调制第二个栅极以减缓量子点中有效能级的移动速率。
• 利用几何论证，基于栅压变化比值推导出误差抑制的定量预测。
• 通过任意波形发生器（12 GS/s）施加定制波形，并辅以低通滤波以最小化高频噪声。
• 在100 mK的稀释制冷机中进行测量，采用超稳定低噪声电流放大器（ULCA）实现亚ppm量级的电流噪声底限。
• 在V_DC1–V_DC2平面获取二维泵浦图，以识别最佳工作点。
• 进行精度低于0.2 ppm的精密电流测量，以验证误差抑制效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 动态栅压补偿能否在非绝热单电子泵中抑制反向隧穿错误？
• RQ2 观测到的误差抑制是否与基于衰减级联模型的定量预测一致？
• RQ3 系统能否通过调节栅极调制实现从反向隧穿主导到热误差主导的误差机制转变？
• RQ4 当反向隧穿错误被抑制数个数量级时，该泵可实现的精度是多少？

主要发现

• 通过动态栅压补偿，反向隧穿错误被抑制了数个数量级，电流测量不确定度达到亚ppm量级。
• 实验结果证实了基于插层栅极与势垒比值∆ptb的衰减级联模型对误差抑制的定量预测。
• 通过调节栅极调制，成功实现了从反向隧穿主导到热误差主导的误差机制的可控过渡。
• 当泵频率为85.4 MHz时，实现了约13.5 pA的电流输出，测量不确定度为0.2 ppm，验证了其在国际单位安培实现中的适用性。
• 误差抑制在不施加外部磁场的条件下实现，凸显了该方法的鲁棒性。
• 研究证实，通过栅极工程可主动控制主导误差机制，从而实现高精度运行。