کنترل مشترک یک آرایه متقاطع نقطه کوانتومی 16 نیمه هادی - نانوتکنولوژی طبیعت

ساخت

این دستگاه بر روی یک ساختار ناهمسان Ge/SiGe ساخته شده است که در آن چاه کوانتومی ژرمانیومی با ضخامت 16 نانومتر با حداکثر تحرک حفره 2.5×10 است.⁵ cm² V^-1 s^-1 در 55 نانومتر زیر رابط نیمه هادی/اکسید مدفون شده است^25,40. دروازه‌های پیستون نقطه کوانتومی را با قطر 100 نانومتر طراحی می‌کنیم و دروازه‌های مانعی که نقاط کوانتومی را با عرض 30 نانومتر جدا می‌کنند. ساخت دستگاه این مراحل اصلی را دنبال می کند. ابتدا، کنتاکت‌های اهمی پلاتین با ضخامت 30 نانومتر از طریق لیتوگرافی پرتو الکترونی الگوبرداری می‌شوند، تبخیر می‌شوند و در ساختار ناهمسان پس از یک مرحله اچ کردن برای حذف لایه درپوش Si اکسیده شده پخش می‌شوند.^41,42. سپس یک پشته دروازه سه لایه با جایگزین کردن لایه اتمی یک Al ساخته می شود₂O₃ فیلم دی الکتریک (با ضخامت های 7، 5 و 5 نانومتر) و تبخیر دروازه های فلزی Ti/Pd (به ترتیب با ضخامت های 3/17، 3/27 و 3/27 برای هر رسوب). پس از برش، یک تراشه میزبان یک آرایه متقاطع منفرد نصب شده و سیم روی یک برد مدار چاپی متصل می شود. قبل از خنک شدن در یخچال رقیق‌سازی، ما دو دستگاه نوار متقاطع اسمی یکسان را در یک حمام هلیوم 4 K مطابق روش غربالگری آزمایش کردیم.³⁸. هر دو دستگاه عملکرد دروازه های کامل و کنتاکت های اهمی را به نمایش گذاشتند و یکی از آنها در یخچال رقیق سازی نصب شده بود.

راه اندازی آزمایشی

این آزمایش در یخچال رقیق Bluefors با دمای پایه 10 mK انجام شد. از تجزیه و تحلیل پیک کولن، دمای الکترونی 138 ± 9 mK را استخراج می کنیم که از آن برای تخمین بازوی اهرمی جداسازی استفاده می کنیم (شکل های تکمیلی. 12 و 13). ما از یک رک SPI با باتری داخلی استفاده می کنیم (https://qtwork.tudelft.nl/~mtiggelman/spi-rack/chassis.html) برای تنظیم ولتاژهای dc، در حالی که ما از یک مولد شکل موج دلخواه (AWG) Keysight M3202A برای اعمال پالس های شطرنجی جریان متناوب از طریق خطوط کواکسیال استفاده می کنیم. سیگنال های ولتاژ dc و جریان متناوب روی برد مدار چاپی با بایاس تی ترکیب شده و روی گیت ها اعمال می شوند. هر سنسور شارژ به صورت گالوانیکی به یک سلف NbTiN با اندوکتانس چند میکروهنری متصل می شود و یک مدار مخزن تشدید با فرکانس های تشدید ~ 100 مگاهرتز را تشکیل می دهد. در آزمایش خود، ما از هر چهار رزونانس تنها سه مورد را مشاهده کرده‌ایم که احتمالاً به دلیل یک سلف معیوب است. علاوه بر این، از آنجایی که این دو تشدید به طور اساسی با هم همپوشانی دارند، ما عمدتاً از استفاده از بازتاب سنجی اجتناب می کنیم (مگر اینکه به صراحت در متن ذکر شده باشد) و از اندازه گیری سریع dc با پهنای باند تا 50 کیلوهرتز استفاده می کنیم. چهار جریان سنسور dc به ولتاژ تبدیل می شوند، تقویت می شوند و به طور همزمان توسط یک ماژول دیجیتالیزر چهار کاناله Keysight M3102A با 500 مگا نمونه ثانیه خوانده می شوند.^-1. ماژول دیجیتایزر و چندین ماژول AWG در یک کامپوننت جانبی Keysight M9019A برای شاسی ابزار دقیق یکپارچه شده اند. نمودارهای پایداری شارژ در اینجا معمولاً شامل یک اسکن 150 × 150 پیکسل با زمان اندازه‌گیری در هر پیکسل 50 میکرو ثانیه است. در سراسر این مقاله، ما به Δg اشاره می کنیمi برای شناسایی رمپ عرضه شده توسط AWG به دروازه gi با توجه به یک ولتاژ مرجع dc ثابت. برای افزایش نسبت سیگنال به نویز، همان نقشه را 5 تا 50 بار به طور میانگین می گیریم و در عرض یک دقیقه یک نقشه با کیفیت بالا به دست می آوریم.

جزئیات تنظیم

در طول آزمایش، ما تمام 16 نقطه کوانتومی دستگاه را دو بار تنظیم کردیم. در اولین اجرا، ولتاژهای گیت برای به حداقل رساندن تعداد نقاط کوانتومی غیرعمدی برای تجسم بهتر و مشخص کردن نقاط کوانتومی متقاطع بهینه سازی شدند (شکل XNUMX). 2 و شکل تکمیلی 14). در اجرای دوم، نقاط سرگردان برای تنظیم آرایه نقاط کوانتومی در یک رژیم اشغال فرد جهانی نادیده گرفته شدند (شکل XNUMX). 3). بین دو چرخه تنظیم، ولتاژ گیت بدون چرخش حرارتی دستگاه به صفر رسید. پروتکل دنبال شده در دو روش تنظیم یکسان بود، اما نیاز به خالی کردن نقاط کوانتومی تصادفی در جلسه اول منجر به ایجاد محدودیت هایی در پنجره ولتاژ گیت های خاص شد. مقادیر گیت-ولتاژ شروع برای تنظیم بالا 300 میلی ولت برای موانع و -600 میلی ولت برای پیستون است. در شکل تکمیلی 15، ولتاژهای گیت dc را نسبت به اندازه گیری های نمایش داده شده در شکل نمایش می دهیم. 3، با آرایه میله متقاطع تنظیم شده در اشغال شارژ فرد. در این رژیم، ما همچنین تغییرپذیری در شروع ولتاژ اول سوراخ در هر نقطه را مطالعه می‌کنیم و 1,660 ± 290- میلی ولت را به دست می‌آوریم (شکل تکمیلی. 16). علاوه بر این، ما تغییرپذیری در فاصله خطوط انتقال را به عنوان معیاری برای سطح همگنی آرایه ~ 10-20٪ توصیف می کنیم (شکل تکمیلی XNUMX). 17)⁴³. یادداشت تکمیلی 4 در مورد راهبردهایی برای کاهش بیشتر این تغییرات بحث می کند.

اشغال بار فرد با خالی کردن هر نقطه کوانتومی نشان داده می شود (فیلم های تکمیلی 1-12). تمام مجموعه‌های داده زیرشکل. 3 و فیلم های تکمیلی 1-12 در همان پیکربندی گیت-ولتاژ در همان روز گرفته می شوند. با این حال، در تمام نقشه‌ها، حداقل تفاوت ولتاژ وجود دارد، که بزرگترین آنها تغییر 6 میلی ولت در vP1 است که با این حال، اشغال‌های Q1، Q2b و Q2t را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد (جدول تکمیلی 1). در طول آزمایش، گیت UB8 به درستی عمل نکرد، احتمالاً به دلیل شکستگی سرب. برای جبران این اثر و فعال کردن بارگذاری شارژ در نقاط P3t و P5t، UB7 را در ولتاژ پایین‌تری در مقایسه با سایر گیت‌های UB تنظیم کردیم. علاوه بر این، LB1 در ولتاژ نسبتاً بالاتری تنظیم شده است تا تشکیل نقاط کوانتومی تصادفی را در زیر خروجی LB1 و P1 در ولتاژهای پایین‌تر کاهش دهد. اولین خط جمع کننده چنین نقطه کوانتومی تصادفی به صورت یک خط افقی ضعیف در تعامل قابل مشاهده است (شکل XNUMX). 3a).

ماتریس مجازی

ماتریکس M تعریف شده توسط (bf{overrightarrow{G}}=M بار bf{overrightarrow{{{{rm{v}}}}G}})، با گیت های مجازی (پیکان رو به راست{{rm{v}}bf{G}}) و دروازه های واقعی (پیکان رو به راست{bf{G}}) به صورت یک نقشه رنگی در شکل تکمیلی نشان داده شده است. 3. برای آزمایشات جفت تونل ارائه شده در شکل. 4ما از سیستم‌های گیت مجازی اضافی برای دستیابی به کنترل مستقل ولتاژهای جداسازی e67 و U67 و همچنین تعاملات بین نقطه‌ای از طریق موانع مجازی t استفاده می‌کنیم._6b7، ج_6b7، تی_6t7 و ج_6t7. با تعریف SE_P به عنوان دروازه پیستون SE، می نویسیم

شناسایی نقاط کوانتومی

برای به دست آوردن کوپلینگ خازنی تمام دروازه های مانع به مجموعه ای از خطوط انتقال (شکل XNUMX). 2bما مجموعه ای از 112 نمودار پایداری شارژ را بدست آورده و تجزیه و تحلیل می کنیم. نمودار پایداری شارژ یکسان پس از گام برداشتن هر گیت مانع در اطراف ولتاژ جریان خود در مراحل 1 میلی ولت در محدوده 3- تا 3 میلی ولت (یعنی 7 اسکن × 16 مانع) گرفته می شود. تعداد نمودارهای پایداری شارژ مورد نیاز برای شناسایی تمام مقیاس‌های نقاط کوانتومی به صورت خطی با تعداد کل آنها. تعداد نقشه‌ها از حاصل ضرب تعداد پیستون‌ها و دروازه‌های مانع، که هر دو به‌عنوان جذر آن مقیاس می‌شوند، حاصل می‌شود. ما تأکید می کنیم که یک آرایه با کنترل فردی نیز به تعداد خطی نمودارهای پایداری شارژ برای استنتاج هر نقطه نیاز دارد. در تجزیه و تحلیل، ابتدا یک پس‌زمینه به آرامی متغیر از داده‌ها کم می‌کنیم (با تابع ndimage.gaussian.filter بسته منبع باز SciPy نسخه 1.7.1) و سپس گرادیان نقشه را محاسبه می‌کنیم (با تابع ndimage.gaussian_gradient_magnitude). ). برای یک خط معین از چنین نقشه‌های دو بعدی، موقعیت اوج را با استفاده از تابع تناسب گاوسی استخراج می‌کنیم. به دلیل ظرفیت متقاطع، موقعیت های خط انتقال یک وابستگی خطی به هر یک از 16 مانع را نشان می دهند که با استخراج شیب خطی آن را کمی می کنیم (شکل تکمیلی XNUMX). 4). پس از نرمال شدن به حداکثر مقدار، این پارامترها کوپلینگ خازنی نامیده می شوند.λ) و به دلیل ساختار شبکه ای دو لایه مانع، اولین اطلاعات مربوط به محل اضافه/حذف سوراخ به/از آن به دست می آید. برای استخراج موقعیت‌های نقطه کوانتومی، کوپلینگ‌های خازنی را به vUB در نظر می‌گیریم (λ_vUB) و vBL (λ_vLB) دروازه ها به عنوان دو توزیع احتمال مستقل. با این رویکرد، انتگرال از λ_vUB (λ_vLB) بین vUBi (vLBk) و vUBj (vLBl) یک "احتمال" را برمی گرداند p_U،(i,j) (p_L،(k,l)) برای یافتن نقطه بین این خطوط کنترل. در نتیجه، احتمال ترکیبی در سایت محدود شده توسط این چهار مانع توسط حاصل ضرب این عناصر به دست می‌آید: w_{(i,j) ، (k,l)} = p_U،(i,j) × p_L،(k,l). توجه می کنیم که مجموع 16 احتمال 1 را برمی گرداند. همانطور که قبلاً در کار دیگری مشاهده شد³²دریچه هایی که به نقطه کوانتومی خاصی که در چاه کوانتومی ژرمانیوم تعریف شده است، متقاطع می شوند، سقوط کندی را در فضا نشان می دهند (یعنی دروازه هایی با فاصله تا نقطه بیش از 100 نانومتر هنوز یک جفت متقابل قابل توجه به نقطه دارند). این را می‌توان به فاصله عمودی نسبتاً بزرگ بین دروازه‌ها و نقاط کوانتومی (بیش از 60 نانومتر) نسبت داد، و با آزمایش‌های انجام شده در دستگاه‌های نیمه‌رسانای سیلیکون-فلز-اکسید-که در آن سقوط به دلیل محصور شدن بار شدید نسبتاً فوری است، در تضاد است. این جنبه توضیح می دهد که چرا احتمال ما W در نقطه کوانتومی شناسایی شده به حداکثر 0.25-0.50 می رسد.

ارزیابی کوپلینگ تونل

برای تخمین نتایج جفت تونل ارائه شده در شکل XNUMX. 4، ما یک روش اندازه گیری خودکار را ایجاد کردیم که از این ترتیب پیروی می کند: (1) موانع مجازی را در سراسر نقشه دو بعدی قرار می دهیم (t, j) (2) در هر پیکربندی مانع، یک نقشه پایداری شارژ دو بعدی (e67، U67) می گیریم (شکل XNUMX). 4b-g) (3) ما موقعیت دقیق بین نقطه شارژ را از طریق یک رویه برازش نقشه شناسایی می کنیم (شکل تکمیلی XNUMX). 10)⁴⁴; (4) تنظیمات کوچکی را در دروازه‌های مجازی e67 و U67 انجام می‌دهیم تا نقطه بین نقطه‌ای را در افست (0, 0) dc متمرکز کنیم. (5) ما خط پلاریزاسیون را با استفاده از رمپ های AWG ~0.1 کیلوهرتز اندازه گیری می کنیم (شکل XNUMX). 4c,h). برای تجزیه و تحلیل دقیق، هر خط پلاریزاسیون نتیجه میانگین 150 ردیابی با استفاده از زمان ادغام اندازه گیری 50 میکرو ثانیه در هر پیکسل است. با این روش نقشه های کامل 30×30 در چند ساعت گرفته می شود. ما ردیابی را با در نظر گرفتن دمای الکترون 138 mK و یک بازوی اهرمی جداسازی تنظیم کردیم ({آلفا }_{{epsilon }_{67}}) = 0.012 (4) eV V^-1، استخراج شده از یک خط پلاریزاسیون حرارتی گسترش یافته (شکل تکمیلی XNUMX). 13). مشاهده می‌کنیم که کوپلینگ تونل استخراج‌شده تقریباً از یک روند نمایی به عنوان تابعی از دروازه‌های مانع پیروی می‌کند. ما داده های ارائه شده در شکل XNUMX را برازش می کنیم. 4e,j با (Atimes {rm{e}}^{-B{V}_{rm{g}}}) تابع، کجا A یک پیش فاکتور است، B بازوی اهرمی مانع موثر است و V_g محور دروازه است. ما متوجه شدیم که بازوهای اهرمی مانع موثر از j_6b7 و t_6b7 0.007 ± 0.002 و 0.021 ± 0.003 میلی ولت هستند^-1، به ترتیب. به همین ترتیب، j_6t7 و t_6t7 0.008 ± 0.001 و 0.026 ± 0.003 میلی ولت هستند^-1، به ترتیب. این نشان می دهد که مانع واقعی LB7 کوپلینگ های عمودی و افقی را به روشی مشابه کنترل می کند. در مجموع، این نتایج نشان می‌دهد که لایه مانع پایین دروازه‌های UB 3 برابر موثرتر از لایه مانع بالایی دروازه‌های LB است. این با آنچه در شکل XNUMX یافت می شود مطابقت دارد. 2b و شکل تکمیلی 5. توجه می‌کنیم که برای عملیات کیوبیت در چنین آرایه‌ای متقاطع، در واقع لازم است که قابلیت تنظیم دو مانعی تمام 24 نزدیک‌ترین همسایه به طور کامل مشخص و کالیبره شود. انجام این کار مستلزم بهبود بیشتر پیاده سازی سخت افزاری ما است و خارج از محدوده این کار است.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. خودرو / خودروهای الکتریکی، کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• ChartPrime. بازی معاملاتی خود را با ChartPrime ارتقا دهید. دسترسی به اینجا.
• BlockOffsets. نوسازی مالکیت افست زیست محیطی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://www.nature.com/articles/s41565-023-01491-3