聲學(xué)聲子輔助的硅基雜質(zhì)電子自旋量子比特的量子控制.pdf

1、本論文研究了硅基雜質(zhì)電子自旋量子比特在雜質(zhì)與Si/SiO2界面之間的量子控制，即電子在雜質(zhì)與界面之間的輸運(yùn)。將電子從雜質(zhì)輸運(yùn)到界面主要是為了對(duì)電子自旋態(tài)進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際的量子比特器件中，電子與聲學(xué)聲子之間的相互作用對(duì)器件的特性有很重要的影響。因此，在理論模型中我們考慮了聲學(xué)聲子(縱、橫聲學(xué)聲子和界面聲學(xué)聲子)，研究了不同聲學(xué)聲子對(duì)電子輸運(yùn)過程的貢獻(xiàn)。我們還研究了硅能谷的干涉、晶格溫度和金屬柵的屏蔽效應(yīng)對(duì)輸運(yùn)過程的影響。本文的研究對(duì)硅基雜

2、質(zhì)電子自旋量子比特器件的設(shè)計(jì)和操控有著重要的意義。
　　 論文首先提出了聲學(xué)聲子輔助的硅基雜質(zhì)電子的輸運(yùn)機(jī)制：電子-聲子相互作用引起的電子躍遷導(dǎo)致了電子在雜質(zhì)與界面之間的實(shí)空間轉(zhuǎn)移。電場(chǎng)中的雜質(zhì)-界面體系在界面附近形成一界面勢(shì)阱。電子在雜質(zhì)與界面之間的輸運(yùn)就是電子在這兩個(gè)勢(shì)阱之間的空間轉(zhuǎn)移。在耦合的雙勢(shì)阱中，電子的不同量子態(tài)(如基態(tài)和第一激發(fā)態(tài))，在一定條件下分布在不同勢(shì)阱中。電子與聲子之間的相互作用引起的電子在量子態(tài)之間的躍遷

3、導(dǎo)致了電子在兩個(gè)勢(shì)阱之間的空間轉(zhuǎn)移。電子在兩個(gè)最低能態(tài)之間的量子躍遷是主要的。顯然，輸運(yùn)時(shí)間即電子的躍遷時(shí)間，是一個(gè)非常重要的參數(shù)。在計(jì)算與電子量子躍遷有關(guān)的兩個(gè)電子態(tài)時(shí)，從較為簡(jiǎn)單的單谷有效質(zhì)量近似開始。計(jì)算結(jié)果表明，縱、橫和界面聲學(xué)聲子在不同的電場(chǎng)強(qiáng)度或雜質(zhì)深度時(shí)對(duì)輸運(yùn)過程的貢獻(xiàn)是不同的。輸運(yùn)時(shí)間與電場(chǎng)強(qiáng)度或雜質(zhì)深度之間的關(guān)系展示了雙谷性質(zhì)，輸運(yùn)時(shí)間在臨界電場(chǎng)或臨界雜質(zhì)位置處有最大值。我們得到了一個(gè)重要的結(jié)論，雜質(zhì)到Si/SiO2界

4、面的距離應(yīng)在約21 nm到32 nm的范圍內(nèi)以保證電子在相干時(shí)間內(nèi)的成功輸運(yùn)。
　　 其次，論文考慮了硅的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，研究了硅能谷的干涉效應(yīng)對(duì)輸運(yùn)過程的影響。在Si/SiO2界面勢(shì)阱中，與界面垂直的方向上的硅能谷的能量比其它能谷中的能量低很多；雜質(zhì)與界面之間的電子勢(shì)不引起不同方向上的能谷之間的耦合。因此，我們用雙谷有效質(zhì)量近似計(jì)算了與輸運(yùn)相關(guān)的電子態(tài)。能谷的干涉沒有改變輸運(yùn)時(shí)間隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化的雙谷性質(zhì)。然而，谷的干涉引起輸運(yùn)時(shí)間隨

5、雜質(zhì)深度的振蕩。在一給定的電場(chǎng)中，雜質(zhì)在臨界位置時(shí)，輸運(yùn)時(shí)間有最大值。臨界電場(chǎng)時(shí)的輸運(yùn)時(shí)間隨雜質(zhì)深度的變化趨勢(shì)是增加的。在從-10.0 meV到-1.0 meV的范圍內(nèi)，界面谷-軌道耦合參數(shù)的改變對(duì)輸運(yùn)時(shí)間的影響較小。晶格溫度對(duì)輸運(yùn)時(shí)間的影響隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而改變。在臨界電場(chǎng)時(shí)，晶格溫度的改變對(duì)輸運(yùn)時(shí)間的影響最大；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度偏離臨界電場(chǎng)較遠(yuǎn)時(shí)，晶格溫度的改變對(duì)輸運(yùn)時(shí)間的影響消失。
　　 最后，我們研究了金屬柵的屏蔽效應(yīng)對(duì)電子在雜