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我国首次实现硅基半导体量子芯片的自旋调控

来源: 作者: 发布时间:2021-05-19

科技日报合肥5月19日电(记者 吴长锋)记者从中国科大获悉,该校郭光灿院士团队郭国平、李海欧等人与中科院物理所张建军和本源量子计算有限公司合作,首次在硅基锗空穴量子点中实现朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控,对于该体系更好地实现自旋量子比特操控及寻找马约拉纳费米子有着重要的指导意义。研究成果日前发表在国际纳米器件物理知名期刊《纳米通信》上。

近年来,对自旋轨道耦合的研究一直是半导体量子计算和拓扑量子计算研究的热点。半导体材料中的自旋轨道相互作用能够使粒子的自旋与轨道这两个自由度耦合在一起,该机制在实现自旋电子学器件、自旋量子比特操控及寻找马约拉纳费米子中起着举足轻重的作用。研究人员在制备的高质量的硅基锗空穴载流子双量子点中观察到了自旋阻塞效应,并在自旋阻塞区域测量了由自旋弛豫引起的漏电流大小随磁场大小及磁场方向的变化关系,通过理论分析,研究人员得到了该体系具有强各向异性的g因子张量,同时确定了自旋轨道耦合场的方向位于锗纳米线衬底面内并与锗纳米线方向成59°,说明体系中除了存在垂直于锗纳米线的Rashba自旋轨道耦合,还存在着沿着纳米线方向的可能是由界面不对称性引起的Dresselhaus自旋轨道耦合。通过改变纳米线的生长方向,使得上述两种自旋轨道耦合方向相反大小相等,从而实现自旋轨道耦合的开关,当体系处于“sweet spot”(即自旋轨道耦合完全关闭)时,由自旋轨道耦合引起的退相干过程会大幅度地被抑制,自旋量子比特的退相干时间会得到有效地延长。

这一发现对该体系在自旋量子比特制备与操控研究中,在保持超快比特操控速率的同时,进一步延长比特的退相干时间提供了新的思路,为全电控规模化硅基自旋量子比特芯片研究奠定了物理基础。