中國科學技術大學郭光燦院士團隊在硅基半導體鍺納米線量子芯片研究中取得重要進展。該團隊郭國平、李海歐等人與中科院物理所張建軍和本源量子計算有限公司合作，首次在硅基鍺空穴量子點中實現朗道g因子張量和自旋軌道耦合場方向的測量與調控，對于該體系更好地實現自旋量子比特操控及尋找馬約拉納費米子有著重要的指導意義。研究成果以“Anisotropicg-factor and Spin-Orbit Field in a Germanium Hut Wire Double Quantum Dot”為題，發(fā)表在5月12日出版的國際納米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

 

近年來對自旋軌道耦合的研究一直是半導體量子計算和拓撲量子計算研究的熱點。半導體材料中的自旋軌道相互作用能夠使粒子的自旋與軌道這兩個自由度耦合在一起，該機制在實現自旋電子學器件、自旋量子比特操控及尋找馬約拉納費米子中起著舉足輕重的作用。在半導體自旋量子比特操控研究中，現有的自旋量子比特的操控方式依賴于樣品制備中集成的微波天線或微磁體這些可以產生人造調制磁場的結構，這使得量子比特大規(guī)模擴展時在可尋址和芯片結構制備方面受到制約。同時，微磁體結構會使自旋量子比特感受到更強的電荷噪聲，導致自旋量子比特退相干時間的降低。因此，一種可行的解決方案是用材料中存在的自旋軌道耦合來實現全電學的自旋量子比特操控。

 

具體對于一維硅基鍺納米線空穴量子點而言，由于空穴載流子體系中本身存在著很強的自旋軌道耦合，我們可以利用電偶極自旋共振技術，通過施加交變電場實現對自旋量子比特的全電學控制，大大簡化了量子比特的制備工藝，有利于實現硅基量子計算自旋比特單元的二維擴展。在自旋軌道耦合的電偶極自旋共振操控方式下，比特的操控速率與自旋軌道耦合強度成正比，因此我們可以通過改變外加電場的方式來增強自旋軌道耦合強度從而實現更快的比特操控速率。除此之外，自旋軌道耦合場的方向也會影響自旋量子比特的操控速率以及比特初始化與讀取的保真度，因此在利用自旋軌道耦合實現自旋量子比特操控時，確定和調控自旋軌道耦合場的方向顯得尤為重要。
 

圖1. 硅基鍺納米線空穴雙量子點中g因子張量及自旋軌道耦合場方向。

 

李海歐、郭國平等人在制備的高質量的硅基鍺空穴載流子雙量子點中觀察到了自旋阻塞效應，并在自旋阻塞區(qū)域測量了由自旋弛豫引起的漏電流大小隨磁場大小及磁場方向的變化關系，通過理論分析，研究人員得到了該體系具有強各向異性的g因子張量，同時確定了自旋軌道耦合場的方向位于鍺納米線襯底面內并與鍺納米線方向成59°，說明體系中除了存在垂直于鍺納米線的Rashba自旋軌道耦合，還存在著沿著納米線方向的可能是由界面不對稱性引起的Dresselhaus自旋軌道耦合。我們可以通過改變納米線的生長方向使得上述兩種自旋軌道耦合方向相反大小相等，從而實現自旋軌道耦合的開關，當體系處于“sweet spot”（即自旋軌道耦合完全關閉）時，由自旋軌道耦合引起的退相干過程會大幅度地被抑制，自旋量子比特的退相干時間會得到有效地延長。這一發(fā)現對該體系在自旋量子比特制備與操控研究中，在保持超快比特操控速率的同時進一步延長比特的退相干時間提供了新的思路，為全電控規(guī)模化硅基自旋量子比特芯片研究奠定了物理基礎。