聲學(xué)聲子輔助的硅基雜質(zhì)電子自旋量子比特的量子控制.pdf

1、本論文研究了硅基雜質(zhì)電子自旋量子比特在雜質(zhì)與Si/SiO2界面之間的量子控制，即電子在雜質(zhì)與界面之間的輸運。將電子從雜質(zhì)輸運到界面主要是為了對電子自旋態(tài)進(jìn)行測量。在實際的量子比特器件中，電子與聲學(xué)聲子之間的相互作用對器件的特性有很重要的影響。因此，在理論模型中我們考慮了聲學(xué)聲子(縱、橫聲學(xué)聲子和界面聲學(xué)聲子)，研究了不同聲學(xué)聲子對電子輸運過程的貢獻(xiàn)。我們還研究了硅能谷的干涉、晶格溫度和金屬柵的屏蔽效應(yīng)對輸運過程的影響。本文的研究對硅基雜

2、質(zhì)電子自旋量子比特器件的設(shè)計和操控有著重要的意義。
　　 論文首先提出了聲學(xué)聲子輔助的硅基雜質(zhì)電子的輸運機制：電子-聲子相互作用引起的電子躍遷導(dǎo)致了電子在雜質(zhì)與界面之間的實空間轉(zhuǎn)移。電場中的雜質(zhì)-界面體系在界面附近形成一界面勢阱。電子在雜質(zhì)與界面之間的輸運就是電子在這兩個勢阱之間的空間轉(zhuǎn)移。在耦合的雙勢阱中，電子的不同量子態(tài)(如基態(tài)和第一激發(fā)態(tài))，在一定條件下分布在不同勢阱中。電子與聲子之間的相互作用引起的電子在量子態(tài)之間的躍遷

3、導(dǎo)致了電子在兩個勢阱之間的空間轉(zhuǎn)移。電子在兩個最低能態(tài)之間的量子躍遷是主要的。顯然，輸運時間即電子的躍遷時間，是一個非常重要的參數(shù)。在計算與電子量子躍遷有關(guān)的兩個電子態(tài)時，從較為簡單的單谷有效質(zhì)量近似開始。計算結(jié)果表明，縱、橫和界面聲學(xué)聲子在不同的電場強度或雜質(zhì)深度時對輸運過程的貢獻(xiàn)是不同的。輸運時間與電場強度或雜質(zhì)深度之間的關(guān)系展示了雙谷性質(zhì)，輸運時間在臨界電場或臨界雜質(zhì)位置處有最大值。我們得到了一個重要的結(jié)論，雜質(zhì)到Si/SiO2界

4、面的距離應(yīng)在約21 nm到32 nm的范圍內(nèi)以保證電子在相干時間內(nèi)的成功輸運。
　　 其次，論文考慮了硅的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，研究了硅能谷的干涉效應(yīng)對輸運過程的影響。在Si/SiO2界面勢阱中，與界面垂直的方向上的硅能谷的能量比其它能谷中的能量低很多；雜質(zhì)與界面之間的電子勢不引起不同方向上的能谷之間的耦合。因此，我們用雙谷有效質(zhì)量近似計算了與輸運相關(guān)的電子態(tài)。能谷的干涉沒有改變輸運時間隨電場強度變化的雙谷性質(zhì)。然而，谷的干涉引起輸運時間隨

5、雜質(zhì)深度的振蕩。在一給定的電場中，雜質(zhì)在臨界位置時，輸運時間有最大值。臨界電場時的輸運時間隨雜質(zhì)深度的變化趨勢是增加的。在從-10.0 meV到-1.0 meV的范圍內(nèi)，界面谷-軌道耦合參數(shù)的改變對輸運時間的影響較小。晶格溫度對輸運時間的影響隨電場強度的變化而改變。在臨界電場時，晶格溫度的改變對輸運時間的影響最大；當(dāng)電場強度偏離臨界電場較遠(yuǎn)時，晶格溫度的改變對輸運時間的影響消失。
　　 最后，我們研究了金屬柵的屏蔽效應(yīng)對電子在雜