[论文解读] Non-reciprocal Pauli Spin Blockade in a Silicon Double Quantum Dot

Theodor Lundberg, David J. Ibberson+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 54被引用 4

一句话总结

该论文首次在硅双量子点中通过非相干隧穿效应实现了非互易泡利自旋阻塞（PSB）的实验观测。通过在16种电荷构型下进行非简谐磁光谱测量，作者测得电子自旋态之间存在7.90 μeV的耦合——迄今报道的最大值——表明自旋-轨道耦合增强，从而实现通过电偶极自旋共振（EDSR）的全电控自旋操控。

ABSTRACT

Spin qubits in gate-defined silicon quantum dots are receiving increased attention thanks to their potential for large-scale quantum computing. Readout of such spin qubits is done most accurately and scalably via Pauli spin blockade (PSB), however various mechanisms may lift PSB and complicate readout. In this work, we present an experimental observation of a new, highly prevalent PSB-lifting mechanism in a silicon double quantum dot due to incoherent tunneling between different spin manifolds. Through dispersively-detected magnetospectroscopy of the double quantum dot in 16 charge configurations, we find the mechanism to be energy-level selective and non-reciprocal for neighbouring charge configurations. Additionally, using input-output theory we report a large coupling of different electron spin manifolds of 7.90 $μ$eV, the largest reported to date, indicating an enhanced spin-orbit coupling which may enable all-electrical qubit control.

研究动机与目标

• 研究硅双量子点中泡利自旋阻塞（PSB）的解除机制，以解决其对高保真度自旋量子比特测量的负面影响。
• 识别并表征一种在CMOS兼容硅双量子点中具有能量级选择性与非互易性的PSB解除机制。
• 利用输入-输出理论与非简谐探测方法量化不同电子自旋多重态之间的耦合。
• 评估增强的自旋-轨道耦合对硅自旋量子比特全电控自旋操控的影响。

提出的方法

• 利用超导LC谐振器通过栅极G_T1耦合至器件，对硅双量子点进行非简谐磁光谱测量。
• 测量谐振器响应中相对相位移随磁场的变化，覆盖16种电荷构型，其对应点被识别为电荷间跃迁（ICT）点。
• 应用输入-输出理论建模参数化电容，将其分解为量子与隧穿贡献，以模拟相位响应。
• 利用极化与占据概率的一般表达式，建模在慢速与快速弛豫条件下参数化电容的响应。
• 通过能量分裂、隧穿耦合与热占据概率的模拟生成磁光谱，参数基于实验数据获得，并与观测特征拟合。
• 在高磁场区域引入兰道-津恩跃迁效应，以在模拟中抑制超过0.2 T的相位移信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么机制导致硅双量子点中泡利自旋阻塞的非互易解除？
• RQ2 自旋多重态之间的非相干隧穿如何影响不同电荷构型下PSB的非简谐探测？
• RQ3 该系统中不同电子自旋多重态之间的耦合强度有多大？
• RQ4 能否从观测到的PSB解除行为与谐振器响应中推断出自旋-轨道耦合的增强？
• RQ5 强自旋-轨道耦合对硅自旋量子比特全电控自旋操控具有何种影响？

主要发现

• 观测到一种新的PSB解除机制，由自旋多重态之间的非相干隧穿驱动，具有能量级选择性，并在相邻电荷构型间表现出非互易性。
• 利用输入-输出理论测得不同电子自旋多重态之间的耦合为7.90 μeV，为迄今报道的最大值。
• 该大耦合值表明自旋-轨道耦合显著增强，可能实现通过电偶极自旋共振（EDSR）的全电控自旋操控。
• 该PSB解除机制在16种电荷构型中普遍存在，且在(6,9)-(7,8)与(5,10)-(6,9) ICT点均观测到非互易行为。
• 采用包含量子与隧穿电容贡献的输入-输出理论模拟，能准确复现测量到的磁光谱，证实快速弛豫在PSB解除中的关键作用。
• 在高磁场区域（>0.2 T）存在兰道-津恩跃迁，导致相位移信号被抑制，与实验观测一致。