[论文解读] Mapping of valley-splitting by conveyor-mode spin-coherent electron shuttling

M. Volmer, Tom Struck+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 43被引用 4

一句话总结

本文提出了一种高分辨率、时间高效的Si/SiGe异质结构局部谷能级分裂映射方法，采用传送模式自旋相干电子输送技术。通过将自旋 entangled 电子对中的一个电子输运至远处的量子点，探测磁质子诱导的基态与激发态谷态之间的反交叉，该技术实现了亚微电子伏特能量分辨率和纳米级横向分辨率，从而在210 nm × 18 nm区域内实现密集的二维谷能级分裂映射，其统计保真度与已建立的磁光谱学方法相当。

ABSTRACT

In Si/SiGe heterostructures, the low-lying excited valley state seriously limit operability and scalability of electron spin qubits. For characterizing and understanding the local variations in valley splitting, fast probing methods with high spatial and energy resolution are lacking. Leveraging the spatial control granted by conveyor-mode spin-coherent electron shuttling, we introduce a method for two-dimensional mapping of the local valley splitting by detecting magnetic field dependent anticrossings of ground and excited valley states using entangled electron spin-pairs as a probe. The method has sub-μeV energy accuracy and a nanometer lateral resolution. The histogram of valley splittings spanning a large area of 210 nm by 18 nm matches well with statistics obtained by the established but time-consuming magnetospectroscopy method. For the specific heterostructure, we find a nearly Gaussian distribution of valley splittings and a correlation length similar to the quantum dot size. Our mapping method may become a valuable tool for engineering Si/SiGe heterostructures for scalable quantum computing.

研究动机与目标

• 为解决硅基自旋量子比特在规模化过程中因缺乏快速、高分辨率的局部谷能级分裂变化探测方法而面临的挑战。
• 通过实现高效、空间分辨的谷能级分裂映射，克服传统磁光谱学方法耗时长、覆盖面积有限的局限性。
• 开发一种可扩展、统计鲁棒的方法，以表征量子芯片上谷能级分裂的分布及其空间相关性。
• 实现对Si/SiGe异质结构的工程化设计，以减少谷能级分裂的涨落，从而支持容错量子计算。

提出的方法

• 利用传送模式自旋相干电子输送技术，将自旋 entangled 电子对中的一个电子输运至远距离的量子点，实现局部探测。
• 采用磁场依赖的基态与激发态谷态之间的反交叉检测，作为局部谷能级分裂能量 $E_{\mathrm{VS}}$ 的探测手段。
• 通过在与输送路径平行的两个长栅极施加电压偏移，实现对输送轨迹的位移，从而在210 nm × 18 nm区域内实现二维映射。
• 通过利用相干电子输送和精确的静电控制，实现亚微电子伏特能量分辨率和纳米级横向分辨率。
• 基于交叉电容测量和有限元泊松模拟，采用三角测量法，实现对量子点位置的亚10 nm精度确定。
• 将实验测量与模拟的静电势变化相结合，实现 $E_{\mathrm{VS}}$ 随位置和栅极电压差的函数映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 传送模式电子输送能否实现对Si/SiGe异质结构中局部谷能级分裂的高分辨率、空间分辨测量？
• RQ2 在Si/SiGe量子芯片的大面积区域内，谷能级分裂的空间分布及其统计行为如何？
• RQ3 该新型映射方法的分辨率和准确性与传统磁光谱学相比如何？
• RQ4 局部静电无序和非预期隧穿事件在观测到的谷能级分裂变化中起何种作用？
• RQ5 该方法能否分辨谷能级分裂涨落的相关长度与量子点尺寸的关系？

主要发现

• 该方法实现了亚微电子伏特能量分辨率和纳米级横向分辨率，从而能够在210 nm × 18 nm区域内实现密集的二维谷能级分裂映射。
• 测得的谷能级分裂值范围为4.6 μeV至59.9 μeV，其在映射区域内的分布接近高斯分布。
• 谷能级分裂涨落的空间相关长度与量子点尺寸相当，表明在原子尺度上存在局部材料非均匀性。
• 谷能级分裂的突然跃迁被归因于传送模式输送过程中的非预期隧穿事件，可通过垂直位移输送通道来缓解。
• 该新方法获得的谷能级分裂统计分布与传统、耗时较长的磁光谱学结果高度吻合，验证了其准确性。
• 该技术实现了高效、高统计量的谷能级分裂映射，使其成为工程化可扩展Si/SiGe量子计算平台的有力工具。