鍺硅自組織納米線量子點(diǎn)和微波諧振腔的復(fù)合結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和微納米加工工藝的不斷進(jìn)步，前沿科學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入微觀量子調(diào)控領(lǐng)域。納米尺度的量子點(diǎn)可以精確調(diào)控單個(gè)載流子的隧穿。量子點(diǎn)的電荷態(tài)或者自旋態(tài)形成的二能級(jí)系統(tǒng)可以用于制備量子比特。量子比特的量子態(tài)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)探測和操作，量子芯片和量子計(jì)算展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用潛能。但是可應(yīng)用的量子芯片需要量子比特在保持相干性的前提下實(shí)現(xiàn)精確測量和可擴(kuò)展集成。國際上認(rèn)為利用超導(dǎo)微波諧振腔不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的靈敏測量，而且可以作為量子總線實(shí)

2、現(xiàn)多個(gè)量子比特的長距離耦合，是量子芯片集成化的可行方案。本論文主要研究了基于鍺硅自組織納米線量子點(diǎn)以及量子點(diǎn)和超導(dǎo)微波諧振腔的復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時(shí)還研究了利用超導(dǎo)微波諧振腔對(duì)量子點(diǎn)狀態(tài)的靈敏測量的理論機(jī)制和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。
　　本論文的主要內(nèi)容有:
　　1.簡要介紹了量子計(jì)算的產(chǎn)生背景和實(shí)現(xiàn)體系，半導(dǎo)體門控量子點(diǎn)體系，多種新型半導(dǎo)體材料體系，腔量子電動(dòng)力學(xué)和電路量子電動(dòng)力學(xué)以及量子點(diǎn)中的電荷態(tài)和自旋態(tài)和超導(dǎo)微波諧振腔的強(qiáng)耦合的最新進(jìn)展;

3、
　　2.制備了鍺硅自組織納米線空穴型單量子點(diǎn)和雙量子點(diǎn)，以及介紹了樣品制備所用到的微納制備設(shè)備和工藝。詳細(xì)介紹了單量子點(diǎn)的電極設(shè)計(jì)、能級(jí)結(jié)構(gòu)以及完整的加工工藝流程。實(shí)驗(yàn)研究了鍺硅自組織納米線空穴型單量子點(diǎn)的接觸性質(zhì)，庫侖震蕩圖和庫侖菱形圖等輸運(yùn)性質(zhì)，以及磁場下的能級(jí)劈裂表現(xiàn)和朗德g因子;
　　3.設(shè)計(jì)和制備了鍺硅自組織空穴型單量子點(diǎn)和超導(dǎo)微波諧振腔的復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括樣品結(jié)構(gòu)和測量系統(tǒng)。研究了微波的幅值和相位用于單量子點(diǎn)電荷態(tài)

4、的靈敏測量，并從幅值和相位信號(hào)中提取了頻率移動(dòng)和頻率展寬信息用于解釋微波測量的理論機(jī)制。以運(yùn)動(dòng)方程理論為基礎(chǔ)利用量子點(diǎn)的載流子壓縮系數(shù)以及量子點(diǎn)和諧振腔的耦合電容確定了單量子點(diǎn)和諧振腔體系中空穴-諧振腔的耦合強(qiáng)度，并進(jìn)一步評(píng)估了自旋-諧振腔的耦合強(qiáng)度接近于強(qiáng)耦合水平;
　　4.研究了利用超導(dǎo)微波諧振腔探測量子點(diǎn)的性質(zhì)。幅值和相位讀取量子點(diǎn)復(fù)導(dǎo)納信息。幅值和相位信號(hào)推算出反射式微波諧振腔和量子點(diǎn)耦合體系中的頻率移動(dòng)和頻率展寬信息，并

5、以此為基礎(chǔ)論證了幅值和相位和直流輸運(yùn)的定量對(duì)應(yīng)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。
　　5.設(shè)計(jì)和制備了鍺硅自組織空穴型雙量子點(diǎn)和超導(dǎo)微波諧振腔的復(fù)合結(jié)構(gòu)。并且比較了雙量子點(diǎn)-諧振腔的耦極耦合模式和單量子點(diǎn)-諧振腔的耦合模式。基于不同的理論模型解釋了微波的幅值和相位信號(hào)對(duì)于雙量子點(diǎn)中空穴在左點(diǎn)和右點(diǎn)之間以及在量子點(diǎn)和電極之間隧穿的不同反應(yīng);
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　1.設(shè)計(jì)和制備了鍺硅自組織納米線單量子點(diǎn)和雙量子點(diǎn);
　　2.實(shí)現(xiàn)鍺硅

6、自組織空穴型單量子點(diǎn)和雙量子點(diǎn)與超導(dǎo)微波諧振腔的耦合，利用諧振腔的幅值和相位信號(hào)實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)電荷態(tài)的靈敏測量;
　　3.從微波諧振腔的幅值和相位信號(hào)中分別利用奇偶部分積分的方法以及理論推導(dǎo)的方法得到頻率移動(dòng)和頻率展寬信息，并以此為基礎(chǔ)建立了幅值和相位與直流輸運(yùn)信號(hào)的定量對(duì)應(yīng)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。并且利用微波的幅值和相位信號(hào)測量量子點(diǎn)的復(fù)導(dǎo)納以及評(píng)估隧穿率。
　　4.基于量子點(diǎn)的載流子壓縮系數(shù)以及量子點(diǎn)和諧振腔的耦合電容提取了鍺硅自組織納