【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(jìn)步,前沿科學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入微觀(guān)量子調(diào)控領(lǐng)域。納米尺度的量子點(diǎn)可以精確調(diào)控單個(gè)載流子的隧穿。量子點(diǎn)的電荷態(tài)或者自旋態(tài)形成的二能級(jí)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(shí)現(xiàn)探測(cè)和操作,量子芯片和量子計(jì)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(shí)現(xiàn)精確測(cè)量和可擴(kuò)展集成。國(guó)際上認(rèn)為利用超導(dǎo)微波諧振腔不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的靈敏測(cè)量,而且可以作為量子總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)多個(gè)量子比特的長(zhǎng)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(xiàn)量子點(diǎn)以及量子點(diǎn)和超導(dǎo)微波諧振腔的復(fù)合結(jié)構(gòu),同時(shí)還研究了利用超導(dǎo)微波諧振腔對(duì)量子點(diǎn)狀態(tài)的靈敏測(cè)量的理論機(jī)制和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。本論文的主要內(nèi)容有:1.簡(jiǎn)要介紹了量子計(jì)算的產(chǎn)生背景和實(shí)現(xiàn)體系,半導(dǎo)體門(mén)控量子點(diǎn)體系,多種新型半導(dǎo)體材料體系,腔量子電動(dòng)力學(xué)和電路量子電動(dòng)力學(xué)以及量子點(diǎn)中的電荷態(tài)和自旋態(tài)和超導(dǎo)微波諧振腔的強(qiáng)耦合的最新進(jìn)展;2.制備了鍺硅自組織納米線(xiàn)空穴型單量子點(diǎn)和雙量子點(diǎn),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(xì)介紹了單量子點(diǎn)的電極設(shè)計(jì)、能級(jí)結(jié)構(gòu)以及完整的加工工藝流程。實(shí)驗(yàn)研究了鍺硅自組織納米線(xiàn)空穴型單量子點(diǎn)的接觸性質(zhì),庫(kù)侖震蕩圖和庫(kù)侖菱形圖等輸運(yùn)性質(zhì),以及磁場(chǎng)下的能級(jí)劈裂表現(xiàn)和朗德g因子;3.設(shè)計(jì)和制備了鍺硅自組織空穴型單量子點(diǎn)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(cè)量系統(tǒng)。研究了微波的幅值和相位用于單量子點(diǎn)電荷態(tài)的靈敏測(cè)量,并從幅值和相位信號(hào)中提取了頻率移動(dòng)和頻率展寬信息用于解釋微波測(cè)量的理論機(jī)制。以運(yùn)動(dòng)方程理論為基礎(chǔ)利用量子點(diǎn)的載流子壓縮系數(shù)以及量子點(diǎn)和諧振腔的耦合電容確定了單量子點(diǎn)和諧振腔體系中空穴-諧振腔的耦合強(qiáng)度,并進(jìn)一步評(píng)估了自旋-諧振腔的耦合強(qiáng)度接近于強(qiáng)耦合水平;4.研究了利用超導(dǎo)微波諧振腔探測(cè)量子點(diǎn)的性質(zhì)。幅值和相位讀取量子點(diǎn)復(fù)導(dǎo)納信息。幅值和相位信號(hào)推算出反射式微波諧振腔和量子點(diǎn)耦合體系中的頻率移動(dòng)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(yùn)的定量對(duì)應(yīng)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。5.設(shè)計(jì)和制備了鍺硅自組織空穴型雙量子點(diǎn)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(diǎn)-諧振腔的耦極耦合模式和單量子點(diǎn)-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(hào)對(duì)于雙量子點(diǎn)中空穴在左點(diǎn)和右點(diǎn)之間以及在量子點(diǎn)和電極之間隧穿的不同反應(yīng);本文的創(chuàng)新點(diǎn)有:1.設(shè)計(jì)和制備了鍺硅自組織納米線(xiàn)單量子點(diǎn)和雙量子點(diǎn);2.實(shí)現(xiàn)鍺硅自組織空穴型單量子點(diǎn)和雙量子點(diǎn)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(hào)實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)電荷態(tài)的靈敏測(cè)量;3.從微波諧振腔的幅值和相位信號(hào)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(dòng)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(yùn)信號(hào)的定量對(duì)應(yīng)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。并且利用微波的幅值和相位信號(hào)測(cè)量量子點(diǎn)的復(fù)導(dǎo)納以及評(píng)估隧穿率。4.基于量子點(diǎn)的載流子壓縮系數(shù)以及量子點(diǎn)和諧振腔的耦合電容提取了鍺硅自組織納米線(xiàn)空穴型單量子點(diǎn)和諧振腔體系中空穴-諧振腔的耦合強(qiáng)度,更進(jìn)一步評(píng)估了該體系的自旋-諧振腔的耦合強(qiáng)度;5.比較和解釋了雙量子點(diǎn)-諧振腔和單量子點(diǎn)-諧振腔的耦合機(jī)制的不同,基于不同的理論模型探索了雙量子點(diǎn)-諧振腔模型之中空穴在左點(diǎn)和右點(diǎn)之間以及量子點(diǎn)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(diǎn)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(mén)控量子點(diǎn)則是利用材料本身的結(jié)構(gòu)和能級(jí)束縛結(jié)合施逡逑在電極上的電勢(shì)作為束縛手段。對(duì)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(duì)載流子的輸運(yùn)逡逑限制，所以只需要在另外兩個(gè)維度增加一系列電極并施加電勢(shì)，即可形成量子逡逑；對(duì)于一維材料，比如鍺硅核殼型納米線(xiàn)［３９］、鍺硅自組織納米線(xiàn)［４０］、銦砷納逡逑線(xiàn)［４１］、碳納米管［４２］、銦銻納米線(xiàn)［４３］等，材料本身在材料的橫截面的兩個(gè)維逡逑限制載流子的輸運(yùn)，所以只需要在沿著納米線(xiàn)維度施加電極電勢(shì)即可得到量子逡逑；對(duì)于如鍺硅納米晶［４４］這類(lèi)的零維材料，材料本身在三個(gè)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(yùn)。逡逑

丨邋＾逡逑圖１．２二維材料體系的量子點(diǎn)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(mén)控量子點(diǎn)則是利用材料本身的結(jié)構(gòu)和能級(jí)束縛結(jié)合施逡逑加在電極上的電勢(shì)作為束縛手段。對(duì)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(duì)載流子的輸運(yùn)逡逑有限制，所以只需要在另外兩個(gè)維度增加一系列電極并施加電勢(shì)，即可形成量子逡逑點(diǎn)；對(duì)于一維材料，比如鍺硅核殼型納米線(xiàn)［３９］、鍺硅自組織納米線(xiàn)［４０］、銦砷納逡逑米線(xiàn)［４１］、碳納米管［４２］、銦銻納米線(xiàn)［４３］等，材料本身在材料的橫截面的兩個(gè)維逡逑度限制載流子的輸運(yùn)，，所以只需要在沿著納米線(xiàn)維度施加電極電勢(shì)即可得到量子逡逑點(diǎn)；對(duì)于如鍺硅納米晶［４４］這類(lèi)的零維材料，材料本身在三個(gè)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(yùn)。逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O471.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 李炎;李舒嘯;李海歐;鄧光偉;曹剛;肖明;郭國(guó)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(hào)：2685938