基于锗纳米线量子点的空穴自旋及其复合结构研究
发布时间：2021-04-14 15:47
对基于量子点自旋量子比特的半导体量子计算来说,具有长的量子比特相干时间和能够对比特自旋态进行快速操控是两个关键条件。因此,寻找满足上述条件的合适平台已经变得越来越重要。在Ⅳ族半导体中,硅和锗具有核自旋为零的稳定同位素,纯化后的材料由于其较弱的超精细相互作用,使得电子自旋比特具有较长的相干时间。但是,在硅量子点体系中要实现对电子自旋比特的操控,就必须在量子点器件上集成额外组件,例如微型磁体或者微波条带线。这些集成组件使此类器件的制造工艺复杂化,不利于多比特的扩展。相比于电子自旋,锗量子点体系中的空穴载流子由于P轨道而具有更弱的超精细相互作用和更强的自旋轨道耦合,不需要集成额外的组件就可以实现对自旋比特的快速全电操控。因此,锗空穴量子点是一个非常理想的自旋量子比特平台。本论文主要对基于棚顶型锗纳米线的空穴型量子点进行实验研究,主要内容包括:1.介绍了锗空穴材料体系的研究背景和目前取得的一些研究进展,以及半导体量子点中空穴自旋和腔量子电动力学的物理概念。2.详细地描述了棚顶型锗纳米线量子点器件的制备工艺,介绍了微纳加工相关的仪器设备及低温测量平台,给出了量子点的性质表征方法并评估了锗纳米线的...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２（ａ）双量子点电路模型示意图，左边量子点ＱＤｌ和右边量子点ＱＤｒ通过ｒＭ和ＣＭ??耦合
???图］．２（ｃ）和（ｄ）分别为在零源漏偏压下左右两个量子点的顆合Ｃｍ?＝?〇和Ｃｍ?＞??０时双量子点的电荷稳定性相图。当ＣＭ＝０时，相图看上去是由方格组成，方格??中的数字（Ｎ，Ｍ）代表着左右量子点中的电荷数目，例如（１，?１）表示中??各有一个空穴占据此（Ｍ）和叫（Ｕ）。通过往正向扫描栅极电压，量子点中的空??穴逐渐被排出直至排空。图中所示两个方向的实线交汇的黑点为三相点（ｔｒｉｐｌｅ??ｐｏｉｎｔｓ），在三相点处电化学势ｎＬ（Ｎ，Ｍ）和叫（Ｎ，Ｍ）齐平。当Ｃｍ＞〇时，如图１．２（ｄ）??所示，相图演化成由一个个的六边形，我们称之为蜂窝图。由于交互电容存在，??三相点分开成两个，分别由紫色和橙色圆点表示。此时ｈ（Ｎ，Ｍ）和齐??平，两个点处于零失谐量（ｓ?＝?０）这条线上。橙色圆点表示量子点中输运循环为（Ｎ，??Ｍ）—（Ｎ＋１，Ｍ）—（Ｎ，Ｍ＋１）—（Ｎ，Ｍ），紫色圆点表示量子点中输运循环为（Ｎ＋１，Ｍ＋１）??—（Ｎ＋ｌ，?Ｍ）—（Ｎ，Ｍ＋ｌ）—（Ｎ＋ｌ，?Ｍ＋１）。??当给双量子点施加一定的偏压时，三相点区域演化成偏压三角形（ｂｉａｓ??ｔｒｉａｎｇｌｅ）［６］，如图１．３所示。灰色圆框内的插图对应偏压三角形区域内不同位置??的双量子点电化学势。偏压三角形的底边代表着双量子点的基态，当ＶＳＤ增大时，??可以在偏压三角形内部观测到激发态，其电化学势在图中表示为在??输运测量中，对偏压三角形的观测与表征很重要，它涉及到不同的电荷态以及自??旋态，对进行单比特的读取与操控具有重要意义。??ＶＧＬ?ｔ??ｚ＇?、??／＾ｒ?（？．ｌ）??（Ｏ，１）?－一ｐ＼??叫（１，０）外（０，１＞?＼??ｆ?
?第１章绪论???１．２量子点中的空穴自旋??１．２．１泡利白旋阻塞??我们已经讨论了不考虑自旋的空穴在单量子点和双量子点中的输运情况，然??而实际上在量子点中，空穴的电荷态与自旋态息息相关［７］。以双量子点中的单重??态（ｓｉｎｇｌｅｔ）和三重态（ｔｒｉｐｌｅｔ）为例，在只考虑两个空穴的区域中，由于泡利不相容??原理，相同自旋的两个空穴不能占据同一轨道，因此电荷在输运过程中就可能会??出现隧穿被阻塞的情况。如图１．４（ａ）所示，当ＱＤＬ中己经占据了一个自旋向下的??空穴时，ＱＤＲ中同样自旋向下的空穴无法从丁（１，１）态跃迁到Ｓ（２，０）态，这一现象??被称为泡利自旋阻塞（Ｐａｕｌｉ?ｓｐｉｎ?ｂｌｏｃｋａｄｅ，?ＰＳＢ）。当源漏偏压反向时，如图１．４（ｂ）??所示，自旋向上的空穴时可以从ＱＤＬ中Ｓ（２，０）态跃迁到ＱＤＲ中的Ｓ（ｌ，ｌ）态，因此??自旋阻塞被解除。??在实验中我们发现，在零磁场下发生自旋阻塞的偏压三角形的底边基态线上??往往会出现漏电流的现象，这种现象一般是由超精细相互作用诱导的自旋弛豫［８］??或自旋翻转共隧穿［９］所导致。而在非零磁场情况下，随着磁场增大，自旋轨道耦??合机制便开始影响漏电流的产生［１０］。因此，泡利自旋阻塞被广泛地应用于双量??子点中自旋量子比特的读取，这在本文的第三章中会进行详细研宄。??⑷?ＶＧＬ?ＶＧＲ?（ｂ）?ＶＧＬ?ＶＧＲ??ｔ?ｔ?ｔ?ｔ??ｉ?Ｉ?ｉ?ｉ??图１．４?（ａ）双量子点中泡利自旋阻塞示意图。当ＱＤｌ中己经占据了一个自旋向下的空穴??时，由于自旋不相容原理，ＱＤＲ中同样自旋向下的空穴不能从Ｔ（ｌ，］）态隧穿到Ｓ（２，０）态。??（ｂ
本文编号：3137586
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２（ａ）双量子点电路模型示意图，左边量子点ＱＤｌ和右边量子点ＱＤｒ通过ｒＭ和ＣＭ??耦合
???图］．２（ｃ）和（ｄ）分别为在零源漏偏压下左右两个量子点的顆合Ｃｍ?＝?〇和Ｃｍ?＞??０时双量子点的电荷稳定性相图。当ＣＭ＝０时，相图看上去是由方格组成，方格??中的数字（Ｎ，Ｍ）代表着左右量子点中的电荷数目，例如（１，?１）表示中??各有一个空穴占据此（Ｍ）和叫（Ｕ）。通过往正向扫描栅极电压，量子点中的空??穴逐渐被排出直至排空。图中所示两个方向的实线交汇的黑点为三相点（ｔｒｉｐｌｅ??ｐｏｉｎｔｓ），在三相点处电化学势ｎＬ（Ｎ，Ｍ）和叫（Ｎ，Ｍ）齐平。当Ｃｍ＞〇时，如图１．２（ｄ）??所示，相图演化成由一个个的六边形，我们称之为蜂窝图。由于交互电容存在，??三相点分开成两个，分别由紫色和橙色圆点表示。此时ｈ（Ｎ，Ｍ）和齐??平，两个点处于零失谐量（ｓ?＝?０）这条线上。橙色圆点表示量子点中输运循环为（Ｎ，??Ｍ）—（Ｎ＋１，Ｍ）—（Ｎ，Ｍ＋１）—（Ｎ，Ｍ），紫色圆点表示量子点中输运循环为（Ｎ＋１，Ｍ＋１）??—（Ｎ＋ｌ，?Ｍ）—（Ｎ，Ｍ＋ｌ）—（Ｎ＋ｌ，?Ｍ＋１）。??当给双量子点施加一定的偏压时，三相点区域演化成偏压三角形（ｂｉａｓ??ｔｒｉａｎｇｌｅ）［６］，如图１．３所示。灰色圆框内的插图对应偏压三角形区域内不同位置??的双量子点电化学势。偏压三角形的底边代表着双量子点的基态，当ＶＳＤ增大时，??可以在偏压三角形内部观测到激发态，其电化学势在图中表示为在??输运测量中，对偏压三角形的观测与表征很重要，它涉及到不同的电荷态以及自??旋态，对进行单比特的读取与操控具有重要意义。??ＶＧＬ?ｔ??ｚ＇?、??／＾ｒ?（？．ｌ）??（Ｏ，１）?－一ｐ＼??叫（１，０）外（０，１＞?＼??ｆ?
?第１章绪论???１．２量子点中的空穴自旋??１．２．１泡利白旋阻塞??我们已经讨论了不考虑自旋的空穴在单量子点和双量子点中的输运情况，然??而实际上在量子点中，空穴的电荷态与自旋态息息相关［７］。以双量子点中的单重??态（ｓｉｎｇｌｅｔ）和三重态（ｔｒｉｐｌｅｔ）为例，在只考虑两个空穴的区域中，由于泡利不相容??原理，相同自旋的两个空穴不能占据同一轨道，因此电荷在输运过程中就可能会??出现隧穿被阻塞的情况。如图１．４（ａ）所示，当ＱＤＬ中己经占据了一个自旋向下的??空穴时，ＱＤＲ中同样自旋向下的空穴无法从丁（１，１）态跃迁到Ｓ（２，０）态，这一现象??被称为泡利自旋阻塞（Ｐａｕｌｉ?ｓｐｉｎ?ｂｌｏｃｋａｄｅ，?ＰＳＢ）。当源漏偏压反向时，如图１．４（ｂ）??所示，自旋向上的空穴时可以从ＱＤＬ中Ｓ（２，０）态跃迁到ＱＤＲ中的Ｓ（ｌ，ｌ）态，因此??自旋阻塞被解除。??在实验中我们发现，在零磁场下发生自旋阻塞的偏压三角形的底边基态线上??往往会出现漏电流的现象，这种现象一般是由超精细相互作用诱导的自旋弛豫［８］??或自旋翻转共隧穿［９］所导致。而在非零磁场情况下，随着磁场增大，自旋轨道耦??合机制便开始影响漏电流的产生［１０］。因此，泡利自旋阻塞被广泛地应用于双量??子点中自旋量子比特的读取，这在本文的第三章中会进行详细研宄。??⑷?ＶＧＬ?ＶＧＲ?（ｂ）?ＶＧＬ?ＶＧＲ??ｔ?ｔ?ｔ?ｔ??ｉ?Ｉ?ｉ?ｉ??图１．４?（ａ）双量子点中泡利自旋阻塞示意图。当ＱＤｌ中己经占据了一个自旋向下的空穴??时，由于自旋不相容原理，ＱＤＲ中同样自旋向下的空穴不能从Ｔ（ｌ，］）态隧穿到Ｓ（２，０）态。??（ｂ
本文编号：3137586
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3137586.html
