[论文解读] Phonon mediated spin relaxation in a moving quantum dot: Doppler shift, Cherenkov radiation, and spin relaxation boom

Xinyu Zhao, Peihao Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 40被引用 3

一句话总结

本文研究了运动量子点中的声子介导自旋弛豫，发现当量子点速度超过声速时，会出现多普勒频移和类似切伦科夫辐射的声子发射。关键发现是在接近声速时自旋弛豫率出现峰值，称为‘自旋弛豫爆发’，在超音速速度下可能实现退相干减少，表明了实现相干自旋量子比特传输的潜在路径。

ABSTRACT

We study relaxation of a moving spin qubit caused by phonon noise. As we vary the speed of the qubit, we observe several interesting features in spin relaxation and the associated phonon emission, induced by Doppler effect. In particular, in the supersonic regime, the phonons emitted by the relaxing qubit is concentrated along certain directions, similar to the shock waves produced in classical Cherenkov effect. As the speed of the moving qubit increases from the subsonic regime to the supersonic regime, the qubit experiences a peak in the spin relaxation rate near the speed of sound, which we term a spin relaxation boom in analogy to the classical sonic boom. We also find that the moving spin qubit may have a lower relaxation rate than a static qubit, which hints at the possibility of coherence-preserving transportation for a spin qubit. While the physics we have studied here has strong classical analogies, we do find that quantum confinement for the spin qubit plays an important role in all the phenomena we observe. Specifically, it produces a correction on the Cherenkov angle, and removes the divergence in relaxation rate at the sonic barrier. It is our hope that our results would encourage further research into approaches for transferring and preserving quantum information in spin qubit architectures.

研究动机与目标

• 理解自旋量子比特在量子点中的运动如何通过电子-声子和自旋-轨道相互作用影响其自旋弛豫。
• 研究多普勒效应在改变运动量子比特中声子发射和弛豫动力学中的作用。
• 探讨超音速运动是否能减少退相干，从而实现自旋量子比特的相干传输。
• 考察量子限制对经典类比（如切伦科夫辐射和音爆）在自旋弛豫中的影响。
• 为设计具有可控运动和减少退相干的鲁棒自旋量子比特架构提供理论框架。

提出的方法

• 为包含轨道、塞曼、自旋-轨道和电子-声子相互作用项的运动量子点中的单个电子构建哈密顿量。
• 应用施里弗-沃尔夫变换以解耦自旋和轨道动力学，推导出由于运动而具有时间依赖项的有效自旋哈密顿量。
• 利用布洛赫-雷德菲尔德理论计算自旋弛豫率，通过因子 $(1 - \tilde{\nu}_j)$ 纳入多普勒频移的声子频率。
• 将弛豫率表示为对声子模的积分，包括受运动和量子限制影响的角向和频率依赖项。
• 引入由于量子限制导致的切伦科夫角修正，消除了经典模型中的发散现象。
• 分析亚音速、音速和超音速区域中的弛豫率，以识别非单调行为及接近声速时的弛豫率峰值。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子点的运动如何影响自旋弛豫过程中声子的角分布和发射模式？
• RQ2 多普勒效应在改变运动自旋量子比特的自旋弛豫率中起什么作用？
• RQ3 自旋弛豫率是否在接近声速时出现峰值，类似于音爆现象，其成因是什么？
• RQ4 量子限制如何改变自旋弛豫中类似切伦科夫辐射和音爆的经典类比？
• RQ5 运动中的自旋量子比特是否能实现低于静态情况的退相干率，以及在何种条件下？

主要发现

• 当量子点速度接近声速时，自旋弛豫率出现峰值，称为‘自旋弛豫爆发’，类似于经典音爆现象。
• 在超音速区域，声子沿类似切伦科夫的圆锥方向发射，其发射角受量子限制效应修正。
• 对于运动中的量子比特，弛豫率可能低于静态情况，特别是在超音速区域，表明存在保持相干性的潜在传输路径。
• 由于波函数具有有限空间范围，量子限制消除了经典模型中在声速屏障处出现的弛豫率发散现象。
• 切伦科夫角受量子限制修正，偏离经典预测 $\cos\phi_C = v_s / v_0$。
• 弛豫率表达式中包含来自运动参考系中时间依赖相位 $e^{iq \cdot r_0(t)}$ 的多普勒频移声子频率因子 $\omega_{qj}(1 - \xi_j)$。