【摘要】：隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和微納米加工工藝的不斷進步,前沿科學(xué)研究已經(jīng)進入微觀量子調(diào)控領(lǐng)域。納米尺度的量子點可以精確調(diào)控單個載流子的隧穿。量子點的電荷態(tài)或者自旋態(tài)形成的二能級系統(tǒng)可以用于制備量子比特。量子比特的量子態(tài)已經(jīng)可以實現(xiàn)探測和操作,量子芯片和量子計算展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用潛能。但是可應(yīng)用的量子芯片需要量子比特在保持相干性的前提下實現(xiàn)精確測量和可擴展集成。國際上認為利用超導(dǎo)微波諧振腔不僅可以實現(xiàn)對量子比特的靈敏測量,而且可以作為量子總線實現(xiàn)多個量子比特的長距離耦合,是量子芯片集成化的可行方案。本論文主要研究了基于鍺硅自組織納米線量子點以及量子點和超導(dǎo)微波諧振腔的復(fù)合結(jié)構(gòu),同時還研究了利用超導(dǎo)微波諧振腔對量子點狀態(tài)的靈敏測量的理論機制和實驗實現(xiàn)。本論文的主要內(nèi)容有:1.簡要介紹了量子計算的產(chǎn)生背景和實現(xiàn)體系,半導(dǎo)體門控量子點體系,多種新型半導(dǎo)體材料體系,腔量子電動力學(xué)和電路量子電動力學(xué)以及量子點中的電荷態(tài)和自旋態(tài)和超導(dǎo)微波諧振腔的強耦合的最新進展;2.制備了鍺硅自組織納米線空穴型單量子點和雙量子點,以及介紹了樣品制備所用到的微納制備設(shè)備和工藝。詳細介紹了單量子點的電極設(shè)計、能級結(jié)構(gòu)以及完整的加工工藝流程。實驗研究了鍺硅自組織納米線空穴型單量子點的接觸性質(zhì),庫侖震蕩圖和庫侖菱形圖等輸運性質(zhì),以及磁場下的能級劈裂表現(xiàn)和朗德g因子;3.設(shè)計和制備了鍺硅自組織空穴型單量子點和超導(dǎo)微波諧振腔的復(fù)合結(jié)構(gòu),包括樣品結(jié)構(gòu)和測量系統(tǒng)。研究了微波的幅值和相位用于單量子點電荷態(tài)的靈敏測量,并從幅值和相位信號中提取了頻率移動和頻率展寬信息用于解釋微波測量的理論機制。以運動方程理論為基礎(chǔ)利用量子點的載流子壓縮系數(shù)以及量子點和諧振腔的耦合電容確定了單量子點和諧振腔體系中空穴-諧振腔的耦合強度,并進一步評估了自旋-諧振腔的耦合強度接近于強耦合水平;4.研究了利用超導(dǎo)微波諧振腔探測量子點的性質(zhì)。幅值和相位讀取量子點復(fù)導(dǎo)納信息。幅值和相位信號推算出反射式微波諧振腔和量子點耦合體系中的頻率移動和頻率展寬信息,并以此為基礎(chǔ)論證了幅值和相位和直流輸運的定量對應(yīng)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。5.設(shè)計和制備了鍺硅自組織空穴型雙量子點和超導(dǎo)微波諧振腔的復(fù)合結(jié)構(gòu)。并且比較了雙量子點-諧振腔的耦極耦合模式和單量子點-諧振腔的耦合模式。基于不同的理論模型解釋了微波的幅值和相位信號對于雙量子點中空穴在左點和右點之間以及在量子點和電極之間隧穿的不同反應(yīng);本文的創(chuàng)新點有:1.設(shè)計和制備了鍺硅自組織納米線單量子點和雙量子點;2.實現(xiàn)鍺硅自組織空穴型單量子點和雙量子點與超導(dǎo)微波諧振腔的耦合,利用諧振腔的幅值和相位信號實現(xiàn)量子點電荷態(tài)的靈敏測量;3.從微波諧振腔的幅值和相位信號中分別利用奇偶部分積分的方法以及理論推導(dǎo)的方法得到頻率移動和頻率展寬信息,并以此為基礎(chǔ)建立了幅值和相位與直流輸運信號的定量對應(yīng)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。并且利用微波的幅值和相位信號測量量子點的復(fù)導(dǎo)納以及評估隧穿率。4.基于量子點的載流子壓縮系數(shù)以及量子點和諧振腔的耦合電容提取了鍺硅自組織納米線空穴型單量子點和諧振腔體系中空穴-諧振腔的耦合強度,更進一步評估了該體系的自旋-諧振腔的耦合強度;5.比較和解釋了雙量子點-諧振腔和單量子點-諧振腔的耦合機制的不同,基于不同的理論模型探索了雙量子點-諧振腔模型之中空穴在左點和右點之間以及量子點和電極之間隧穿的不同反應(yīng);
【圖文】：

１．２二維材料體系的量子點結(jié)構(gòu)。（ａ）砷化鎵。（ｂ）硅《邋（ｃ）二硫化鉬。（ｄ）石墨烯。圖逡逑引自［３５－３８］。逡逑新型半導(dǎo)體材料的門控量子點則是利用材料本身的結(jié)構(gòu)和能級束縛結(jié)合施逡逑在電極上的電勢作為束縛手段。對于二維材料，比如砷化鎵［３５］、硅［３６］、石墨逡逑［３７］、二硫化鉬［３８］等，材料本身在垂直于材料平面的維度上對載流子的輸運逡逑限制，所以只需要在另外兩個維度增加一系列電極并施加電勢，即可形成量子逡逑；對于一維材料，比如鍺硅核殼型納米線［３９］、鍺硅自組織納米線［４０］、銦砷納逡逑線［４１］、碳納米管［４２］、銦銻納米線［４３］等，材料本身在材料的橫截面的兩個維逡逑限制載流子的輸運，所以只需要在沿著納米線維度施加電極電勢即可得到量子逡逑；對于如鍺硅納米晶［４４］這類的零維材料，材料本身在三個維度己有限制，但逡逑仍然需要加上電極調(diào)節(jié)載流子的輸運。逡逑

丨邋＾逡逑圖１．２二維材料體系的量子點結(jié)構(gòu)。（ａ）砷化鎵。（ｂ）硅《邋（ｃ）二硫化鉬。（ｄ）石墨烯。圖逡逑片引自［３５－３８］。逡逑新型半導(dǎo)體材料的門控量子點則是利用材料本身的結(jié)構(gòu)和能級束縛結(jié)合施逡逑加在電極上的電勢作為束縛手段。對于二維材料，比如砷化鎵［３５］、硅［３６］、石墨逡逑烯［３７］、二硫化鉬［３８］等，材料本身在垂直于材料平面的維度上對載流子的輸運逡逑有限制，所以只需要在另外兩個維度增加一系列電極并施加電勢，即可形成量子逡逑點；對于一維材料，比如鍺硅核殼型納米線［３９］、鍺硅自組織納米線［４０］、銦砷納逡逑米線［４１］、碳納米管［４２］、銦銻納米線［４３］等，材料本身在材料的橫截面的兩個維逡逑度限制載流子的輸運，，所以只需要在沿著納米線維度施加電極電勢即可得到量子逡逑點；對于如鍺硅納米晶［４４］這類的零維材料，材料本身在三個維度己有限制，但逡逑是仍然需要加上電極調(diào)節(jié)載流子的輸運。逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O471.1

【參考文獻】

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1 李炎;李舒嘯;李海歐;鄧光偉;曹剛;肖明;郭國平;;Charge noise acting on graphene double quantum dots in circuit quantum electrodynamics architecture[J];Chinese Physics B;2018年07期

本文編號：2685938