[论文解读] Spin-orbit dynamics of single acceptor atoms in silicon

Joost van der Heijden, Takashi Kobayashi+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2017

Quantum and electron transport phenomena被引用 8

一句话总结

本研究利用CMOS晶体管平台，在单个硼受主原子中实现了可调谐的自旋-轨道动力学。通过调控局部应变和电场，研究人员控制了重空穴与轻空穴态的混合，揭示了在能级反交叉点处存在一个自旋弛豫热点，此时自旋弛豫速率提高了1,000倍以上，从而实现了对量子比特相干性和偶极耦合的精确控制，为可扩展的量子技术铺平道路。

ABSTRACT

Two-level quantum systems with strong spin-orbit coupling allow for all-electrical qubit control and long-distance qubit coupling via microwave and phonon cavities, making them of particular interest for scalable quantum information technologies. In silicon, a strong spin-orbit coupling exists within the spin-3/2 system of acceptor atoms and their energy levels and properties are expected to be highly tunable. Here we show the influence of local symmetry tuning on the acceptor spin-dynamics, measured in the single-atom regime. Spin-selective tunneling between two coupled boron atoms in a commercial CMOS transistor is utilised for spin-readout, which allows for the probing of the two-hole spin relaxation mechanisms. A relaxation-hotspot is measured and explained by the mixing of acceptor heavy and light hole states. Furthermore, excited state spectroscopy indicates a magnetic field controlled rotation of the quantization axes of the atoms. These observations demonstrate the tunability of the spin-orbit states and dynamics of this spin-3/2 system.

研究动机与目标

• 展示对硅中单个受主原子自旋-轨道耦合及能级构型的控制。
• 研究局部对称性、应变和电场如何调控重空穴与轻空穴态的混合与分裂。
• 在单原子体系中探测相应的自旋动力学，包括弛豫机制和相干时间。
• 建立基于受主的自旋-轨道量子比特在长相干时间与强电偶极耦合方面的可行性。
• 通过调控受主的量子环境，实现全电控的量子比特控制及通过微波腔实现远距离耦合。

提出的方法

• 利用先进的硅CMOS晶体管平台，将单个硼受主原子置于双受主(1,1)和(2,0)电荷态中，并实现电学调控。
• 采用自旋选择性隧穿在两个硼原子之间读取双空穴自旋态，保真度极高。
• 应用色散射频门反射测量技术，实现对电荷态与自旋态的亚微电子伏特灵敏度检测。
• 通过磁场依赖性测量自旋弛豫速率及激发态谱学，绘制出能级反交叉图谱。
• 采用包含耦合重空穴(S_HH)与轻空穴(Q_LH)态的两能级模型描述反交叉行为，哈密顿量参数通过实验数据拟合获得。
• 利用公式 ξ_E=0 = 2t_SQ² / [(ΔE)² + (2t_SQ)²] 计算了零能偏移时混合态的轻空穴特征，该公式直接关联到观测到的弛豫增强现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 局部应变和电场调控如何影响硅中单个受主原子的重空穴与轻空穴态的混合与分裂？
• RQ2 观测到的自旋动力学弛豫热点的起源及其量级是什么？
• RQ3 能否通过外加磁场旋转空穴自旋体系的量化轴？其对自旋弛豫有何影响？
• RQ4 在多大程度上可调控自旋-轨道耦合与偶极矩阵元，以优化量子比特相干性与电控性能？
• RQ5 能级反交叉在实现强自旋-轨道耦合及增强弛豫速率方面起到何种作用？

主要发现

• 在自旋弛豫速率提高1,000倍以上的弛豫热点处，测得A_SQ态在1 T磁场下的自旋弛豫时间为0.5 µs。
• 该热点源于S_HH与Q_LH²⁻态之间的避免能级交叉，使轻空穴可通过混合态特征实现向重空穴的弛豫。
• 在反交叉点处计算得到的轻空穴特征为 ξ_E=0 = 2t_SQ² / [(ΔE)² + (2t_SQ)²]，该表达式直接关联到观测到的弛豫增强现象。
• 自旋弛豫速率随能级分裂的变化符合(ħω)³标度关系，与空穴态之间的电偶极跃迁一致。
• 激发态谱学结果表明，外加磁场可旋转空穴自旋体系的量化轴，从而调控重-轻空穴混合。
• 若通过增大重-轻空穴分裂或减小g因子，将热点移至更高磁场，预测在约0.5 T时自旋弛豫时间可超过1 ms。