基于Si/GeSi异质结半导体量子点的谷-自旋近藤效应实验研究

Kondo effect is a core problem in condensed matter many-body physics. Quantum dot (QD), by its excellent property of controlling one electron, is the most fundamental system for illustrating this physics. This application plans to research Kondo effect based on Si/GeSi heterostructure semiconductor QD. It is necessary to discuss the property of nature valley degree of freedom in the Si QD quantum transport. This application plans to use nano-fabrication, including the advanced Al finger gates technology, and electrically controlling method to realize tuning of 2-fold valley degenerated states. Measurement in this application will focus on the conductance spectrum in scale of several tens of pA under lowest 20mK environment temperature by dilution refrigerator. The research effort will be focused on multiple degree of freedom valley-spin Kondo effect on Si QD and valley-spin SU(4) Kondo effect, which contains higher symmetry.

近藤效应是凝聚态多体物理中的一个核心问题。量子点，由于其可以控制单个电子(自旋杂质)的卓越性能，是展现这一物理现象的最基础的系统。本申请拟立足于Si/GeSi异质结半导体量子点器件，展开对近藤效应的研究。由于Si量子点材料天然地具有谷自由度，因而非常有必要研究和讨论谷自由度在Si量子点输运中的作用。本申请拟利用包括最先进的铝电极互搭工艺的Si量子点纳米加工工艺，并通过电学控制方法实现对Si量子点中谷自由度二重简并态能级的调控。基本的测量手段拟利用极低温稀释致冷机平台，在最低20mK的环境温度中测量几十pA量级的电导谱。本申请拟重点研究的内容在于Si量子点中多自由度的谷-自旋近藤效应，以及更高对称度的谷-自旋SU(4)近藤效应。

介观电学输运是凝聚态物理学中，探索许多基本问题的重要手段之一。同时，它又为某些量子计算路径提供了基本的测量和控制方法。微分电导谱由于正比于样品电子的态密度，从而成为探究样品物态性质的基本技术。特别是零偏压下的电导峰（zero-bias-peak，ZBP），可以作为许多重要状态的判据信号之一，例如近藤效应或者马约拉纳零能模式等。该项目执行期间内，针对赝自旋机制的近藤效应展开了研究，观察到了相应的微分电导谱证据，并实现了对赝自旋的调控。.除此以外，该项目将类似的测量技术应用到了更广的测量对象中。例InAs纳米线材料中马约拉纳零能模的探索。.研究成果包括：.1开展了基于双量子点结构的轨道-自旋近藤效应的研究。尽管GaAs材料中并不存在天然的谷（valley）自由度，我们依然可以通过设计串联耦合的双量子点结构，从而人工地引入轨道自由度，来模拟其它自由度。我们成功的观察到了轨道近藤效应和轨道-自旋SU(4)对称度的近藤效应。.2 开展了铁磁近藤效应的研究。我们设计了一种独特的三量子点结构，并证明了中间量子点与两边量子点耦合的可调性。从而为将来观察到近藤效应的铁磁-反铁磁耦合转变打下了设计基础。.3 开展了自旋量子模拟的研究。我们设计了一种六量子点结构样品。该结构中，每个双量子点结构都可以利用电荷态（0，1）/（1，0）模拟一个自旋。该系统可以通过调节虚拟磁场ε和虚拟交换相互作用J的强度模拟一些伊辛模型下的自旋现象，如阻挫。这为将来利用量子点系统实现量子自旋模拟打下了设计基础。.4利用零偏压电导峰的测量技术，对原位生长了Al超导外壳的超细InAs纳米线样品进行了测量，并成功观察到了高度达到0.8个量子电导的零偏压峰。证明了该InAs纳米线系统是未来探索马约拉纳零能模的一个有潜力的平台。.5 成功改装了一台稀释制冷机，通过整数量子霍尔效应完成了电子温度的标定，实现了60-70mK的电子温度。