[论文解读] Microwave-frequency scanning gate microscopy of a Si/SiGe double quantum dot

Artem O. Denisov, Seong W. Oh+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 55被引用 16

一句话总结

本研究通过将金属AFM探针与集成电荷传感器的光刻制备器件耦合，在Si/SiGe双量子点上实现了微波频率扫描门显微镜技术。该技术实现了对电子占据数的局域直流与微波频率控制，并通过光子辅助隧穿分辨了激发态，揭示了与硅异质结构中谷能级分裂一致的64 µeV能量分裂——实现了对自旋量子比特应用中至关重要的量子态的空间分辨光谱表征。

ABSTRACT

Conventional quantum transport methods can provide quantitative information on spin, orbital, and valley states in quantum dots, but often lack spatial resolution. Scanning tunneling microscopy, on the other hand, provides exquisite spatial resolution of the local electronic density of states, but often at the expense of speed. Working to combine the spatial resolution and energy sensitivity of scanning probe microscopy with the speed of microwave measurements, we couple a metallic probe tip to a Si/SiGe double quantum dot that is integrated with a local charge detector. We first demonstrate that a dc-biased tip can be used to change the charge occupancy of the double dot. We then apply microwave excitation through the scanning tip to drive photon-assisted tunneling transitions in the double dot. We infer the double dot energy level diagram from the frequency and detuning dependence of the photon-assisted tunneling resonance condition. These measurements allow us to resolve $\sim$65 $\mu$eV excited states, an energy scale consistent with typical valley splittings in Si/SiGe. Future extensions of this approach may allow spatial mapping of the valley splitting in Si devices, which is of fundamental importance for spin-based quantum processors.

研究动机与目标

• 开发一种结合高空间分辨率与微波频率灵敏度的扫描探针技术，用于研究量子器件。
• 解决Si/SiGe异质结构中谷能级分裂缺乏空间分辨测量技术的问题，这是可扩展自旋量子比特面临的关键挑战。
• 展示通过偏置并微波激励的AFM探针对双量子点实现局域控制与光谱分析。
• 实现对硅基量子点中激发态及能级结构的定量空间映射。

提出的方法

• 通过偏置-T电路将金属AFM探针与Si/SiGe双量子点（DQD）耦合，实现同时施加直流偏置与微波激励。
• 双量子点与一个量子点电荷传感器集成，以高灵敏度检测电子占据数的变化。
• 通过探针施加微波激励，驱动光子辅助隧穿（PAT）跃迁，实现对激发态的光谱分析。
• 从电流测量（ID 和 IS）中提取电荷稳定性图，以映射电子占据数随栅压的变化。
• 从PAT数据中提取电容矩阵，量化探针对DQD的耦合，其形式为 Q = C·V。
• 采用三能级哈密顿量模型拟合PAT数据，包含左侧量子点的基态与激发态以及右侧量子点的基态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用扫描门探针在Si/SiGe双量子点中实现高空间分辨率与微波频率控制的局域电子占据数调节？
• RQ2 双量子点中激发态的能量尺度是多少？能否通过微波驱动的光子辅助隧穿实现分辨？
• RQ3 所观测到的能量分裂是否与硅中的谷能级分裂一致？能否实现空间映射？
• RQ4 探针对双量子点的耦合如何影响能级结构？是否可实现定量建模？
• RQ5 该技术能否实现对Si/SiGe异质结构中谷能级分裂的空间分辨光谱分析？

主要发现

• 微波频率扫描门显微镜成功以约65 µeV的能量分辨率分辨了双量子点中的激发态。
• 从PAT数据中提取出左侧量子点基态与激发态之间64 µeV的能量分裂，与Si/SiGe异质结构中典型的谷能级分裂一致。
• 该技术可通过直流偏置探针实现对电子占据数的局域调控，其功能相当于一个可移动的泵浦门。
• 实验提取出电容矩阵，显示探针到量子点的电容约为0.023 aF，证实了弱但可测量的耦合。
• 当施加微波激励时，电荷稳定性图中出现明显的条纹状光子辅助隧穿共振，证实了相干的微波控制。
• 三能级模型拟合得到的隧穿耦合为16 µeV，跃迁能量为64 µeV，与文献中谷能级分裂的值相符。