原位集成电荷探测器的InSb纳米线耦合双量子点的实验构筑及低温电学输运研究

Coupled semiconductor double quantum-dots via electron coherently tunneling can be used to prepare electron spin superposition and entanglement states, which can be coherently manipulated with rapid electric fields, and are indispensible universal quantum gates for solid state quantum computation approaches. In this proposal, one single InSb nanowire, which possesses the highest mobility, smallest electron effective mass, largest g factor in bulk III-V semiconductors, are employed to build the double-dot nano-structure. A charge sensor for single-shot read out is fabricated close to the double dots by using a InAs nanowire, which supporting the InSb nanowire in a chemical heteroepitaxy growth. A combination gating method relying on bottom and top electrodes allows locally generating tunneling barriers and efficiently altering quantum dot electrostatic potential, respectively. The prepared double quantum-dots can be depleted into two electron accommodation states and initiated at one in each dot, while a considerable conductance remains if tunneling events take place. By cooling the device in a cryo-free 3He/4He dilution refrigerator, the electron transport characteristics will be systematically studied in a magnetic field with a low noise, high sensitive current-voltage measurement setup. Well understanding on the single-electron energy level microscope of the quantum dots, coupling characteristics between the dots, and electron spin configurations may help us to establish Pauli spin blockade, an initial state to coherently manipulate spin states. We will explore the method to coherently manipulate the coupled spin configurations in a specific quantum dot by using high frequency electric field and to demonstrate primary quantum gate operations based on the coupling double dots with the integrated charge sensor.

通过电子的量子隧穿所耦合在一起的半导体双量子点，可以利用所限制的两个电子的自旋制备具有相干调控性的叠加态和纠缠态，是固态量子计算所必需的普适量子逻辑门器件之一。本项目采用III-V族体材料中具有最大朗德g因子、最小有效电子质量的铟锑（InSb）纳米线来构筑这样的器件，同时利用InSb异质外延生长时的铟砷（InAs）纳米线制作单电子晶体管，从而原位集成电荷感应器，用于自旋状态的单发读出。底栅和顶栅相结合的方案有望对各个量子点的势垒和电学特性进行完全调控，并将各个量子点中的电子数限制在单一电子状态，从而得到二电子耦合双量子点。利用不需要液氦的超低温高磁场稀释制冷机和低噪声微信号电学测试系统，器件的电学传输特性将被系统地研究，以深入了解量子点体系的能级特点和电子自旋结构，从而建立泡利自旋阻塞态。探索利用高频电学信号来选择性地快速相干调控量子点中的自旋状态，以实现一些基本的量子逻辑门操作的演示。

III-V族化合物半导体InAs/InSb拥有较高的电子迁移率、较小的电子有效质量、较大的朗德 g 因子，是理想的量子电子材料。其相应的一维纳米线在作为高性能场效应器件的导电沟道时，我们发现各类金属电极与30 nm直径的InAs纳米线都形成n型接触，界面处的肖特基势垒具有不均匀性，分布在35到55 meV之间。表明费米能级被钉扎在纳米线的禁带中，并且靠近导带底。我们在InAs和InSb纳米线上开发并实现了平面环栅结构，使得栅调控能力得到提高。在抑制关态电流的基础上，在此类窄带隙半导体中极大地提高了沟道电流的开关比。在纳米线轴向的适当限制可构建量子点器件，尤其重要的是纳米线的单晶纯相特性保证了在其任意一段都可以定义性质均一的量子点，使得InAs/InSb纳米线成为电子电荷和自旋为基础的固态量子信息处理器件的良好载体。我们制备了具有线宽30 nm，周期80 nm的金属指栅阵列。将直径为40 nm、长为2 um的InAs单晶纯相纳米线定点转移至指栅阵列上。通过调控各个指栅的静电势形成局域势垒,我们在单根InAs纳米线上实现了电子隧穿耦合的两个串联单量子点，并将各个量子点中的电子数限制在单一电子状态，从而得到二电子弱耦合双量子点。我们实现了泡利自旋阻塞效应，测量了自旋单态和自旋三态间的相对能级间隔为2.3 meV，适合于量子计算中的态初始化。我们发现双量子点中的朗德g因子约为12.5，依然具有依赖于能级的涨落。我们进一步导出了自旋轨道耦合相互作用能为140 ueV，表明了快速自旋调控的潜能。我们可以在单根InAs纳米线上进一步实现相邻串联耦合的三个单量子点。通过调节各个量子点的相互耦合强度，可以将分别属于两对量子点的两个能量三重简并点调控的同一能量位置，这时三个量子点之间共振相干耦合在一起，形成一个三自旋系统，更加适合作为电子自旋比特器件。将中间量子点置于库伦阻塞区，可以观察到在远端的两个量子点中电子的直接交换作用。我们通过旋转磁场系统地研究了多量子点中自旋轨道耦合的各向异性和背景核自旋场的特性，导出了核自旋的等效磁场强度。