對(duì)基于量子點(diǎn)自旋量子比特的半導(dǎo)體量子計(jì)算來(lái)說(shuō),具有長(zhǎng)的量子比特相干時(shí)間和能夠?qū)Ρ忍刈孕龖B(tài)進(jìn)行快速操控是兩個(gè)關(guān)鍵條件。因此,尋找滿足上述條件的合適平臺(tái)已經(jīng)變得越來(lái)越重要。在Ⅳ族半導(dǎo)體中,硅和鍺具有核自旋為零的穩(wěn)定同位素,純化后的材料由于其較弱的超精細(xì)相互作用,使得電子自旋比特具有較長(zhǎng)的相干時(shí)間。但是,在硅量子點(diǎn)體系中要實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋比特的操控,就必須在量子點(diǎn)器件上集成額外組件,例如微型磁體或者微波條帶線。這些集成組件使此類器件的制造工藝復(fù)雜化,不利于多比特的擴(kuò)展。相比于電子自旋,鍺量子點(diǎn)體系中的空穴載流子由于P軌道而具有更弱的超精細(xì)相互作用和更強(qiáng)的自旋軌道耦合,不需要集成額外的組件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋比特的快速全電操控。因此,鍺空穴量子點(diǎn)是一個(gè)非常理想的自旋量子比特平臺(tái)。本論文主要對(duì)基于棚頂型鍺納米線的空穴型量子點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,主要內(nèi)容包括:1.介紹了鍺空穴材料體系的研究背景和目前取得的一些研究進(jìn)展,以及半導(dǎo)體量子點(diǎn)中空穴自旋和腔量子電動(dòng)力學(xué)的物理概念。2.詳細(xì)地描述了棚頂型鍺納米線量子點(diǎn)器件的制備工藝,介紹了微納加工相關(guān)的儀器設(shè)備及低溫測(cè)量平臺(tái),給出了量子點(diǎn)的性質(zhì)表征方法并評(píng)估了鍺納米線的... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：117 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．２（ａ）雙量子點(diǎn)電路模型示意圖，左邊量子點(diǎn)ＱＤｌ和右邊量子點(diǎn)ＱＤｒ通過(guò)ｒＭ和ＣＭ??耦合

???圖］．２（ｃ）和（ｄ）分別為在零源漏偏壓下左右兩個(gè)量子點(diǎn)的顆合Ｃｍ?＝?〇和Ｃｍ?＞??０時(shí)雙量子點(diǎn)的電荷穩(wěn)定性相圖。當(dāng)ＣＭ＝０時(shí)，相圖看上去是由方格組成，方格??中的數(shù)字（Ｎ，Ｍ）代表著左右量子點(diǎn)中的電荷數(shù)目，例如（１，?１）表示中??各有一個(gè)空穴占據(jù)此（Ｍ）和叫（Ｕ）。通過(guò)往正向掃描柵極電壓，量子點(diǎn)中的空??穴逐漸被排出直至排空。圖中所示兩個(gè)方向的實(shí)線交匯的黑點(diǎn)為三相點(diǎn)（ｔｒｉｐｌｅ??ｐｏｉｎｔｓ），在三相點(diǎn)處電化學(xué)勢(shì)ｎＬ（Ｎ，Ｍ）和叫（Ｎ，Ｍ）齊平。當(dāng)Ｃｍ＞〇時(shí)，如圖１．２（ｄ）??所示，相圖演化成由一個(gè)個(gè)的六邊形，我們稱之為蜂窩圖。由于交互電容存在，??三相點(diǎn)分開(kāi)成兩個(gè)，分別由紫色和橙色圓點(diǎn)表示。此時(shí)ｈ（Ｎ，Ｍ）和齊??平，兩個(gè)點(diǎn)處于零失諧量（ｓ?＝?０）這條線上。橙色圓點(diǎn)表示量子點(diǎn)中輸運(yùn)循環(huán)為（Ｎ，??Ｍ）—（Ｎ＋１，Ｍ）—（Ｎ，Ｍ＋１）—（Ｎ，Ｍ），紫色圓點(diǎn)表示量子點(diǎn)中輸運(yùn)循環(huán)為（Ｎ＋１，Ｍ＋１）??—（Ｎ＋ｌ，?Ｍ）—（Ｎ，Ｍ＋ｌ）—（Ｎ＋ｌ，?Ｍ＋１）。??當(dāng)給雙量子點(diǎn)施加一定的偏壓時(shí)，三相點(diǎn)區(qū)域演化成偏壓三角形（ｂｉａｓ??ｔｒｉａｎｇｌｅ）［６］，如圖１．３所示�；疑珗A框內(nèi)的插圖對(duì)應(yīng)偏壓三角形區(qū)域內(nèi)不同位置??的雙量子點(diǎn)電化學(xué)勢(shì)。偏壓三角形的底邊代表著雙量子點(diǎn)的基態(tài)，當(dāng)ＶＳＤ增大時(shí)，??可以在偏壓三角形內(nèi)部觀測(cè)到激發(fā)態(tài)，其電化學(xué)勢(shì)在圖中表示為在??輸運(yùn)測(cè)量中，對(duì)偏壓三角形的觀測(cè)與表征很重要，它涉及到不同的電荷態(tài)以及自??旋態(tài)，對(duì)進(jìn)行單比特的讀取與操控具有重要意義。??ＶＧＬ?ｔ??ｚ＇?、??／＾ｒ?（？．ｌ）??（Ｏ，１）?－一ｐ＼??叫（１，０）外（０，１＞?＼??ｆ?

?第１章緒論???１．２量子點(diǎn)中的空穴自旋??１．２．１泡利白旋阻塞??我們已經(jīng)討論了不考慮自旋的空穴在單量子點(diǎn)和雙量子點(diǎn)中的輸運(yùn)情況，然??而實(shí)際上在量子點(diǎn)中，空穴的電荷態(tài)與自旋態(tài)息息相關(guān)［７］。以雙量子點(diǎn)中的單重??態(tài)（ｓｉｎｇｌｅｔ）和三重態(tài)（ｔｒｉｐｌｅｔ）為例，在只考慮兩個(gè)空穴的區(qū)域中，由于泡利不相容??原理，相同自旋的兩個(gè)空穴不能占據(jù)同一軌道，因此電荷在輸運(yùn)過(guò)程中就可能會(huì)??出現(xiàn)隧穿被阻塞的情況。如圖１．４（ａ）所示，當(dāng)ＱＤＬ中己經(jīng)占據(jù)了一個(gè)自旋向下的??空穴時(shí)，ＱＤＲ中同樣自旋向下的空穴無(wú)法從�。ǎ�，１）態(tài)躍遷到Ｓ（２，０）態(tài)，這一現(xiàn)象??被稱為泡利自旋阻塞（Ｐａｕｌｉ?ｓｐｉｎ?ｂｌｏｃｋａｄｅ，?ＰＳＢ）。當(dāng)源漏偏壓反向時(shí)，如圖１．４（ｂ）??所示，自旋向上的空穴時(shí)可以從ＱＤＬ中Ｓ（２，０）態(tài)躍遷到ＱＤＲ中的Ｓ（ｌ，ｌ）態(tài)，因此??自旋阻塞被解除。??在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，在零磁場(chǎng)下發(fā)生自旋阻塞的偏壓三角形的底邊基態(tài)線上??往往會(huì)出現(xiàn)漏電流的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一般是由超精細(xì)相互作用誘導(dǎo)的自旋弛豫［８］??或自旋翻轉(zhuǎn)共隧穿［９］所導(dǎo)致。而在非零磁場(chǎng)情況下，隨著磁場(chǎng)增大，自旋軌道耦??合機(jī)制便開(kāi)始影響漏電流的產(chǎn)生［１０］。因此，泡利自旋阻塞被廣泛地應(yīng)用于雙量??子點(diǎn)中自旋量子比特的讀取，這在本文的第三章中會(huì)進(jìn)行詳細(xì)研宄。??⑷?ＶＧＬ?ＶＧＲ?（ｂ）?ＶＧＬ?ＶＧＲ??ｔ?ｔ?ｔ?ｔ??ｉ?Ｉ?ｉ?ｉ??圖１．４?（ａ）雙量子點(diǎn)中泡利自旋阻塞示意圖。當(dāng)ＱＤｌ中己經(jīng)占據(jù)了一個(gè)自旋向下的空穴??時(shí)，由于自旋不相容原理，ＱＤＲ中同樣自旋向下的空穴不能從Ｔ（ｌ，］）態(tài)隧穿到Ｓ（２，０）態(tài)。??（ｂ


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