[论文解读] Long-lived valley states in bilayer graphene quantum dots

Rebekka Garreis, Chuyao Tong+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2023

Graphene research and applications参考文献 52被引用 5

一句话总结

本研究展示了在门控双层石墨烯量子点中实现电控的、长寿命的谷态，其谷弛豫时间超过500 ms，比自旋弛豫时间长一个多数量级。通过单次测量的泡利阻塞读出，作者实现了超过99%的保真度来区分谷态，确立了双层石墨烯作为电控可调、相干性优异的谷量子比特的稳健平台。

ABSTRACT

Bilayer graphene is a promising platform for electrically controllable qubits in a two-dimensional material. Of particular interest is the ability to encode quantum information in the so-called valley degree of freedom, a two-fold orbital degeneracy that arises from the symmetry of the hexagonal crystal structure. The use of valleys could be advantageous, as known spin- and orbital-mixing mechanisms are unlikely to be at work for valleys, promising more robust qubits. The Berry curvature associated with valley states allows for electrical control of their energies, suggesting routes for coherent qubit manipulation. However, the relaxation time of valley states -- which ultimately limits these qubits' coherence properties and therefore their suitability as practical qubits -- is not yet known. Here, we measure the characteristic relaxation times of these spin and valley states in gate-defined bilayer graphene quantum dot devices. Different valley states can be distinguished from each other with a fidelity of over 99%. The relaxation time between valley triplets and singlets exceeds 500ms, and is more than one order of magnitude longer than for spin states. This work facilitates future measurements on valley-qubit coherence, demonstrating bilayer graphene as a practical platform hosting electrically controlled long-lived valley qubits.

研究动机与目标

• 测量门控双层石墨烯量子点中谷态与自旋态的弛豫时间。
• 评估利用二维材料中谷自由度作为稳健量子比特的可行性。
• 通过泡利阻塞实现对谷态的高保真度单次测量读出。
• 在不同磁场和隧穿耦合条件下，比较谷弛豫时间与自旋弛豫时间。
• 评估双量子点间隧穿耦合对谷与自旋弛豫动力学的影响。

提出的方法

• 使用电容耦合的探测器量子点对双量子点中的(1,1)和(0,2)电荷态进行单次电荷传感监测。
• 应用脉冲门电压协议驱动(1,1)与(0,2)态之间的跃迁，通过时间分辨探测测量弛豫时间。
• 施加垂直磁场，将基态从自旋三重态/谷单重态调制为谷三重态/自旋单重态，从而选择性进入自旋或谷阻塞区域。
• 通过将单重态和三重态的探测器电压直方图拟合为高斯分布，提取读出保真度。
• 系统性地改变磁场和隧穿耦合强度，研究弛豫时间对外部参数的依赖性。
• 通过分析目标态占据概率随脉冲上升时间的变化，测量弛豫时间$ T_1 $，并从布居数衰减中提取$ T_1 $。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电控可调条件下，双层石墨烯量子点中谷态的弛豫时间是多少？
• RQ2 该系统中谷弛豫时间与自旋态弛豫时间相比如何？
• RQ3 双量子点间隧穿耦合强度是否对谷弛豫动力学的影响不同于自旋弛豫？
• RQ4 能否在双量子点器件中通过单次测量读出实现对谷态的高保真度区分？
• RQ5 磁场如何影响自旋与谷阻塞区域之间的转变，以及相应的弛豫时间？

主要发现

• 在垂直磁场250 mT下，双层石墨烯量子点中的谷弛豫时间超过500 ms，显著长于自旋弛豫时间。
• 测得的谷$ T_1 $比自旋态的$ T_1 $长一个以上数量级，后者在700 mT时最高达60 ms。
• 谷弛豫时间对双量子点间隧穿耦合的变化具有鲁棒性，而自旋弛豫时间则随隧穿耦合增强而减小。
• 谷态的单次测量读出保真度达到99.981(2)%，证明了高保真度态分辨能力。
• 在测试的磁场范围内，自旋与谷态的$ T_1 $均无显著磁场依赖性，表明弛豫动力学具有稳定性。
• 观察到的长谷寿命归因于缺陷密度低和有限尺寸效应导致的谷间散射抑制，而非内在的自旋-谷耦合机制。