中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在硅基半導(dǎo)體鍺納米線量子芯片研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平、李海歐等人與中科院物理所張建軍和本源量子計(jì)算有限公司合作，首次在硅基鍺空穴量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)朗道g因子張量和自旋軌道耦合場(chǎng)方向的測(cè)量與調(diào)控，對(duì)于該體系更好地實(shí)現(xiàn)自旋量子比特操控及尋找馬約拉納費(fèi)米子有著重要的指導(dǎo)意義。研究成果以“Anisotropicg-factor and Spin-Orbit Field in a Germanium Hut Wire Double Quantum Dot”為題，發(fā)表在5月12日出版的國(guó)際納米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

 

近年來(lái)對(duì)自旋軌道耦合的研究一直是半導(dǎo)體量子計(jì)算和拓?fù)淞孔佑?jì)算研究的熱點(diǎn)。半導(dǎo)體材料中的自旋軌道相互作用能夠使粒子的自旋與軌道這兩個(gè)自由度耦合在一起，該機(jī)制在實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)器件、自旋量子比特操控及尋找馬約拉納費(fèi)米子中起著舉足輕重的作用。在半導(dǎo)體自旋量子比特操控研究中，現(xiàn)有的自旋量子比特的操控方式依賴于樣品制備中集成的微波天線或微磁體這些可以產(chǎn)生人造調(diào)制磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，這使得量子比特大規(guī)模擴(kuò)展時(shí)在可尋址和芯片結(jié)構(gòu)制備方面受到制約。同時(shí)，微磁體結(jié)構(gòu)會(huì)使自旋量子比特感受到更強(qiáng)的電荷噪聲，導(dǎo)致自旋量子比特退相干時(shí)間的降低。因此，一種可行的解決方案是用材料中存在的自旋軌道耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)全電學(xué)的自旋量子比特操控。

 

具體對(duì)于一維硅基鍺納米線空穴量子點(diǎn)而言，由于空穴載流子體系中本身存在著很強(qiáng)的自旋軌道耦合，我們可以利用電偶極自旋共振技術(shù)，通過(guò)施加交變電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋量子比特的全電學(xué)控制，大大簡(jiǎn)化了量子比特的制備工藝，有利于實(shí)現(xiàn)硅基量子計(jì)算自旋比特單元的二維擴(kuò)展。在自旋軌道耦合的電偶極自旋共振操控方式下，比特的操控速率與自旋軌道耦合強(qiáng)度成正比，因此我們可以通過(guò)改變外加電場(chǎng)的方式來(lái)增強(qiáng)自旋軌道耦合強(qiáng)度從而實(shí)現(xiàn)更快的比特操控速率。除此之外，自旋軌道耦合場(chǎng)的方向也會(huì)影響自旋量子比特的操控速率以及比特初始化與讀取的保真度，因此在利用自旋軌道耦合實(shí)現(xiàn)自旋量子比特操控時(shí)，確定和調(diào)控自旋軌道耦合場(chǎng)的方向顯得尤為重要。
 

圖1. 硅基鍺納米線空穴雙量子點(diǎn)中g(shù)因子張量及自旋軌道耦合場(chǎng)方向。

 

李海歐、郭國(guó)平等人在制備的高質(zhì)量的硅基鍺空穴載流子雙量子點(diǎn)中觀察到了自旋阻塞效應(yīng)，并在自旋阻塞區(qū)域測(cè)量了由自旋弛豫引起的漏電流大小隨磁場(chǎng)大小及磁場(chǎng)方向的變化關(guān)系，通過(guò)理論分析，研究人員得到了該體系具有強(qiáng)各向異性的g因子張量，同時(shí)確定了自旋軌道耦合場(chǎng)的方向位于鍺納米線襯底面內(nèi)并與鍺納米線方向成59°，說(shuō)明體系中除了存在垂直于鍺納米線的Rashba自旋軌道耦合，還存在著沿著納米線方向的可能是由界面不對(duì)稱性引起的Dresselhaus自旋軌道耦合。我們可以通過(guò)改變納米線的生長(zhǎng)方向使得上述兩種自旋軌道耦合方向相反大小相等，從而實(shí)現(xiàn)自旋軌道耦合的開(kāi)關(guān)，當(dāng)體系處于“sweet spot”（即自旋軌道耦合完全關(guān)閉）時(shí)，由自旋軌道耦合引起的退相干過(guò)程會(huì)大幅度地被抑制，自旋量子比特的退相干時(shí)間會(huì)得到有效地延長(zhǎng)。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)該體系在自旋量子比特制備與操控研究中，在保持超快比特操控速率的同時(shí)進(jìn)一步延長(zhǎng)比特的退相干時(shí)間提供了新的思路，為全電控規(guī)模化硅基自旋量子比特芯片研究奠定了物理基礎(chǔ)。