砷化鎵量子點中強測量反作用下的單電子電荷和自旋研究.pdf

1、二十世紀的信息理論給人類社會帶來了前所未有的發(fā)展，而隨著科學技術(shù)的持續(xù)進步和量子信息技術(shù)的快速發(fā)展，二十一世紀將是量子信息的時代。半導體電控量子點被科學界認為是最有可能實現(xiàn)固態(tài)量子計算的量子體系，成為當下國際前沿物理學中最重要和最熱門的研究領(lǐng)域之一。半導體量子點的制備工藝與傳統(tǒng)的芯片工藝有很多相近的地方，因此，該領(lǐng)域的廣泛研究也極大地推動了各種微納加工技術(shù)、射頻應(yīng)用測量技術(shù)和極低溫應(yīng)用測量技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。本論文就是在此國際前沿

2、研究領(lǐng)域中，針對半導體砷化鎵柵極電控量子點器件進行了極低溫下單電子電荷和自旋測量的實驗研究。主要針對兩個方面：一是利用量子點接觸(QPC)通道的反作用，可以驅(qū)動量子點中的電子隧穿出量子點或者從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。通過電子電荷統(tǒng)計計數(shù)的測量，在實驗上給出了QPC通道對量子點的反作用強度在定量上的描述。對于量子點中填充1到6個電子時，給出了精細的電子能級譜，以及在加了平行磁場以后的電子自旋激發(fā)態(tài)譜。二是利用加脈沖技術(shù)，測量單量子點中填充2、4

3、、6個電子時，電子自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間的弛豫時間T1隨著量子點中填充電子數(shù)目的變化，以及QPC通道的反作用對量子點中填充2個電子時，自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間弛豫時間T1的影響。
　　 本論文主要有以下幾部分內(nèi)容：
　　 1．簡單介紹量子計算、量子點的一些基本概念。闡述了半導體柵極電控量子點研究中，用量子點接觸(QPC)作為測量通道的高靈敏測量的基本原理，以及隨機電報信號(RTS)和電子電荷統(tǒng)計計數(shù)測量。最后介紹了電子弛豫

4、時間T1測量的相關(guān)實驗技術(shù)和基本物理概念。
　　 2．主要介紹制備半導體柵極電控量子點樣品器件的微納加工技術(shù)，詳細介紹了各種精密加工儀器和樣品加工的整個技術(shù)工藝和流程，簡單介紹了一些極低溫儀器和極低溫量子輸運的測量技術(shù)。
　　 3．量子點中的電子電荷和量子比特操作等信息，都需要利用量子點旁邊作為靈敏測量通道的量子點接觸(QPC)進行探測。在所有的實驗測量中，都無法避免QPC通道對需要測量信息的反作用。因此，我們在實驗上利

5、用QPC通道的反作用來驅(qū)動量子點中的電子跳出量子點，通過測量隨機電報信號(RTS)，我們獲得了一個與標準熱平衡模型有較大偏離的電子電荷統(tǒng)計計數(shù)。反作用的強度可以通過改變量子點與QPC通道之間的耦合強度和QPC通道的源漏兩端的直流偏壓大小來調(diào)節(jié)。我們在標準模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新的唯象理論模型來研究我們所觀察到的測量反作用，通過比較反作用所帶來的電子跳出量子點的額外隧穿幾率的大小，給出了QPC通道對量子點的反作用強度在定量上的描述。同時，

6、我們發(fā)現(xiàn)上述兩種調(diào)節(jié)反作用強度的方式對反作用強度和截止能量的貢獻作用是不同的。
　　 4．實驗上，我們發(fā)現(xiàn)，利用QPC通道的反作用可以驅(qū)動量子點中的電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間躍遷。根據(jù)實驗所得的非熱平衡下的電子電荷統(tǒng)計計數(shù)，利用我們在熱平衡模型基礎(chǔ)上完善的唯象理論模型，分析出量子點中填充奇數(shù)電子時的額外隧穿幾率和填充偶數(shù)個電子時的自旋單態(tài)和自旋三態(tài)之間的躍遷幾率，給出了自旋單態(tài)與自旋三態(tài)之間的額外躍遷幾率與反作用強度在定量上的依賴關(guān)

7、系，同時給出了基于自旋三態(tài)和單態(tài)的量子比特操作的保真度。
　　 5．在樣品上加入平行磁場，通過分析電子電荷統(tǒng)計計數(shù)來探測量子點中填充單個電子時的電子自旋的塞曼劈裂，以及兩個電子填充時，自旋三態(tài)能級簡并解除以后，自旋單態(tài)與自旋三態(tài)之間的躍遷。從而完成了平行磁場條件下的電子自旋激發(fā)態(tài)譜測量。
　　 6．利用三步脈沖實驗法，測量自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間的弛豫時間T1，當量子點中填充2,4，6個電子時，給出了自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間

8、弛豫時間隨量子點中填充電子數(shù)目的依賴關(guān)系，以及QPC通道的強測量反作用對自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間弛豫時間T1的影響。
　　 本論文的主要創(chuàng)新點有：
　　 1．首次利用作為測量通道的量子點接觸(QPC)所帶來的反作用來驅(qū)動量子點中電子在非熱平衡狀態(tài)下發(fā)生電子躍遷。通過測量隨機電報信號(RTS)，獲得非熱平衡下的電子電荷統(tǒng)計計數(shù)，發(fā)展了一種新的唯象模理論型來解釋我們所觀察到的實驗現(xiàn)象。通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，給出了QPC通道對量

9、子點的反作用強度在定量上的描述。
　　 2．首次在實驗上利用QPC通道所測量的隨機電報信號(RTS)來獲取量子點中1到6個電子填充時的電子能級精細結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了強測量反作用可以驅(qū)動量子點中的電子在自旋單態(tài)和三態(tài)之間躍遷，利用唯象理論模型擬合，研究了不同反作用強度大小對作為自旋量子比特基本單元的自旋單態(tài)和三態(tài)之間躍遷幾率的影響在定量上的描述。
　　 3．在平行磁場下，利用實驗測量的非熱平衡下的電子電荷統(tǒng)計計數(shù)，來探測量子點中

10、填充單個電子時的電子自旋塞曼劈裂，以及兩個電子填充時的自旋單態(tài)與自旋三態(tài)之間的躍遷。首次在實驗上發(fā)現(xiàn)，在較強的QPC通道的反作用下，電子從自旋單態(tài)更偏向于躍遷至自旋三態(tài)中的T+態(tài)。
　　 4．利用三步脈沖測量電子弛豫時間T1的方法，首次獲取了量子點中填充電子數(shù)為2,4，6時，自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間的弛豫時間T1，隨著量子點中填充電子數(shù)目的增加，自旋三態(tài)到自旋單態(tài)的弛豫時間T1迅速減小。同時，從實驗上，研究了自旋三態(tài)到自旋單態(tài)的弛