Kontrol bersama atas susunan palang titik kuantum 16 semikonduktor – Nanoteknologi Alam

pabrik

Perangkat ini dibuat pada heterostruktur Ge/SiGe di mana sumur kuantum germanium setebal 16 nm dengan mobilitas lubang maksimum 2.5 × 10⁵ cm² V^-1 s^-1 terkubur 55 nm di bawah antarmuka semikonduktor/oksida^25,40. Kami merancang gerbang pendorong titik kuantum dengan diameter 100 nm, dan gerbang penghalang yang memisahkan titik kuantum dengan lebar 30 nm. Pembuatan perangkat mengikuti langkah-langkah utama berikut. Pertama, kontak ohmik Pt setebal 30 nm dipola melalui litografi berkas elektron, diuapkan dan disebarkan dalam heterostruktur mengikuti langkah etsa untuk menghilangkan lapisan tutup Si yang teroksidasi.^41,42. Tumpukan gerbang tiga lapis kemudian dibuat dengan deposisi lapisan atom Al secara bergantian₂O₃ film dielektrik (dengan ketebalan 7, 5 dan 5 nm) dan penguapan gerbang logam Ti/Pd (dengan ketebalan masing-masing 3/17, 3/27 dan 3/27 untuk setiap deposisi). Setelah dipotong dadu, sebuah chip yang menampung susunan palang tunggal kemudian dipasang dan diikat dengan kawat pada papan sirkuit tercetak. Sebelum didinginkan dalam lemari es pengenceran, kami menguji dua perangkat palang yang identik dalam penangas helium 4 K sesuai prosedur penyaringan.³⁸. Kedua perangkat tersebut memperlihatkan fungsi gerbang penuh dan kontak ohmik, dan salah satunya dipasang di lemari es pengenceran.

Pengaturan eksperimen

Percobaan dilakukan dalam lemari es pengenceran Bluefors dengan suhu dasar 10 mK. Dari analisis puncak Coulomb, kami mengekstraksi suhu elektron 138 ± 9 mK, yang kami gunakan untuk memperkirakan lengan tuas detuning (Gambar Tambahan. 12 dan 13). Kami menggunakan rak SPI bertenaga baterai buatan sendiri (https://qtwork.tudelft.nl/~mtiggelman/spi-rack/chassis.html) untuk mengatur tegangan dc, sedangkan kami menggunakan generator bentuk gelombang arbitrer (AWG) Keysight M3202A untuk menerapkan pulsa rastering arus bolak-balik melalui saluran koaksial. Sinyal tegangan DC dan arus bolak-balik digabungkan pada papan sirkuit tercetak dengan bias-tee dan diterapkan ke gerbang. Setiap sensor muatan dihubungkan secara galvanis ke induktor NbTiN dengan induktansi beberapa mikrohenri, membentuk rangkaian tangki resonansi dengan frekuensi resonansi ~100 MHz. Dalam percobaan kami, kami hanya mengamati tiga dari empat resonansi, mungkin karena induktor yang rusak. Selain itu, karena kedua resonansi tersebut tumpang tindih secara substansial, kami menghindari penggunaan reflektometri (kecuali dinyatakan secara eksplisit dalam teks) dan menggunakan pengukuran DC cepat dengan bandwidth hingga 50 kHz. Empat arus sensor dc diubah menjadi tegangan, diperkuat dan dibaca secara bersamaan oleh modul digitizer Keysight M3102A empat saluran dengan 500 megasamples s^-1. Modul digitizer dan beberapa modul AWG diintegrasikan ke dalam ekstensi ekspres interkoneksi komponen periferal Keysight M9019A untuk sasis instrumentasi. Diagram stabilitas pengisian daya di sini biasanya terdiri dari pemindaian 150 × 150 piksel dengan waktu pengukuran per piksel 50 μs. Sepanjang Artikel ini, kami mengacu pada Δgi untuk mengidentifikasi jalan yang disediakan oleh AWG ke gerbang gi sehubungan dengan tegangan referensi DC tetap. Untuk meningkatkan rasio signal-to-noise, kami membuat rata-rata peta yang sama sebanyak 5–50 kali, sehingga memperoleh peta berkualitas tinggi dalam satu menit.

Detail penyetelan

Sepanjang percobaan, kami telah menyetel 16 titik kuantum perangkat sebanyak dua kali. Pada percobaan pertama, tegangan gerbang dioptimalkan untuk meminimalkan jumlah titik kuantum yang tidak disengaja untuk memvisualisasikan dan mengkarakterisasi titik kuantum palang dengan lebih baik (Gbr. XNUMX). 2 dan Gambar Tambahan. 14). Pada putaran kedua, titik-titik nyasar diabaikan untuk menyesuaikan susunan titik kuantum menjadi rezim pekerjaan ganjil global (Gbr. XNUMX). 3). Di antara dua siklus penyetelan, tegangan gerbang diatur ulang ke nol tanpa melakukan siklus termal pada perangkat. Protokol yang diikuti dalam dua prosedur penyetelan adalah sama, tetapi kebutuhan untuk mengosongkan titik-titik kuantum yang tidak disengaja pada sesi pertama menyebabkan beberapa pembatasan pada jendela tegangan gerbang tertentu. Nilai tegangan gerbang awal untuk tune up adalah –300 mV untuk penghalang dan –600 mV untuk pendorong. Pada Gambar Tambahan. 15, kami menampilkan tegangan gerbang dc relatif terhadap pengukuran yang ditampilkan pada Gambar. 3, dengan susunan palang disetel pada pekerjaan muatan ganjil. Dalam rezim ini, kami juga mempelajari variabilitas permulaan tegangan lubang pertama di setiap titik, memperoleh −1,660 ± 290 mV (Gambar Tambahan. 16). Selain itu, kami mengkarakterisasi variabilitas dalam jarak garis transisi menjadi ~10–20% sebagai metrik untuk tingkat homogenitas larik (Gambar Tambahan. 17)⁴³. Catatan Tambahan 4 membahas strategi untuk lebih mengurangi variasi ini.

Hunian muatan ganjil ditunjukkan dengan mengosongkan setiap titik kuantum (Video Tambahan 1-12). Semua dataset yang mendasari Gambar. 3 dan Video Tambahan 1-12 diambil pada konfigurasi tegangan gerbang yang sama pada hari yang sama. Namun, di seluruh peta, terdapat perbedaan tegangan minimal, yang terbesar adalah variasi 6 mV pada vP1 yang, namun, tidak mempengaruhi hunian Q1, Q2b, dan Q2t (Tabel Tambahan 1). Selama percobaan, gerbang UB8 tidak berfungsi dengan baik, kemungkinan karena kabelnya putus. Untuk mengimbangi efek ini dan untuk mengaktifkan pemuatan muatan di titik P3t dan P5t, kami mengatur UB7 pada tegangan yang lebih rendah dibandingkan dengan gerbang UB lainnya. Selain itu, LB1 diatur pada voltase yang relatif lebih tinggi untuk mengurangi pembentukan titik kuantum yang tidak disengaja di bawah fanout LB1 dan P1 pada voltase lebih rendah. Garis penjumlahan pertama dari titik kuantum yang tidak disengaja terlihat sebagai garis horizontal yang berinteraksi lemah (Gbr. XNUMX). 3a).

Matriks maya

Matriks M didefinisikan oleh (bf{overrightarrow{G}}=M kali bf{overrightarrow{{{{rm{v}}}}G}}), dengan gerbang virtual (panah atas{{rm{v}}bf{G}}) dan gerbang sebenarnya (panah atas{bf{G}}) ditampilkan sebagai peta warna pada Gambar Tambahan. 3. Untuk percobaan kopling terowongan disajikan pada Gambar. 4, kami menggunakan sistem gerbang virtual tambahan untuk mencapai kontrol independen terhadap tegangan detuning e67 dan U67, serta interaksi interdot melalui penghalang virtual t_6b7, j_6b7, T_6t7 dan j_6t7. Dengan SE_P didefinisikan sebagai gerbang pendorong SE, kita menulis

Identifikasi titik kuantum

Untuk mendapatkan kopling kapasitif dari semua gerbang penghalang ke serangkaian garis transisi (Gbr. XNUMX). 2b), kami memperoleh dan menganalisis kumpulan 112 diagram stabilitas muatan. Diagram stabilitas muatan yang sama diambil setelah setiap gerbang penghalang melewati tegangan arusnya dalam langkah 1 mV dalam kisaran –3 hingga 3 mV (yaitu, 7 pemindaian × 16 penghalang). Jumlah diagram stabilitas muatan yang diperlukan untuk mengidentifikasi semua titik kuantum berskala linier dengan jumlah totalnya. Banyaknya peta dihasilkan dari perkalian jumlah pendorong dan gerbang penghalang, yang keduanya berskala sebagai akar kuadratnya. Kami menekankan bahwa array dengan kontrol individual juga memerlukan sejumlah diagram stabilitas muatan linier untuk menyimpulkan setiap titik. Dalam analisisnya, pertama-tama kita mengurangi latar belakang yang bervariasi secara perlahan pada data (dengan fungsi ndimage.gaussian.filter dari paket sumber terbuka SciPy versi 1.7.1) lalu menghitung gradien peta (dengan fungsi ndimage.gaussian_gradient_magnitude ). Untuk potongan garis tertentu dari peta dua dimensi, kami mengekstrak posisi puncak menggunakan fungsi Gaussian fit. Karena kapasitansi silang, posisi garis transisi mewujudkan ketergantungan linier pada masing-masing dari 16 hambatan, yang kami ukur dengan mengekstraksi kemiringan linier (Gambar Tambahan. 4). Setelah normalisasi ke nilai maksimum, parameter ini diberi nama kopling kapasitif (λ) dan karena struktur grid dari dua lapisan penghalang, informasi pertama tentang di mana lubang ditambahkan/dihapus ke/dari diperoleh. Untuk mengekstrak posisi titik kuantum, kami mempertimbangkan kopling kapasitif ke vUB (λ_vUB) dan vBL (λ_vLB) gerbang sebagai dua distribusi probabilitas independen. Dengan pendekatan ini, integral dari λ_vUB (λ_vLB) antar vUBi (vLBk) dan vUBj (vLBl) mengembalikan 'probabilitas' p_kamu,(i,j) (p_aku,(k,l)) untuk menemukan titik di antara garis kontrol ini. Hasilnya, gabungan probabilitas pada lokasi yang dibatasi oleh keempat penghalang tersebut diperoleh dari hasil kali elemen-elemen berikut: w_{(i,j), (k,l)} = p_kamu,(i,j) × p_aku,(k,l). Kami mencatat bahwa jumlah dari 16 probabilitas menghasilkan 1. Seperti yang telah diamati dalam karya lain³², gandingan silang gerbang ke titik kuantum tertentu yang ditentukan dalam sumur kuantum germanium menunjukkan penurunan yang lambat di ruang angkasa (yaitu, gerbang dengan jarak ke titik >100 nm masih memiliki gandingan silang ke titik yang cukup besar). Hal ini dapat dikaitkan dengan jarak vertikal yang agak besar antara gerbang dan titik-titik kuantum (>60 nm), dan berbeda dengan eksperimen pada perangkat semikonduktor Silikon-logam-oksida-di mana penurunannya terjadi seketika karena pengekangan muatan yang ketat. Aspek ini menjelaskan mengapa probabilitas kita W pada titik kuantum yang teridentifikasi mencapai maksimum 0.25−0.50.

Evaluasi kopling terowongan

Untuk estimasi hasil tunnel kopling disajikan pada Gambar. 4, kami menetapkan prosedur pengukuran otomatis yang mengikuti urutan berikut: (1) kami melangkahi penghalang virtual melintasi peta dua dimensi (t, j); (2) pada setiap konfigurasi penghalang, kami mengambil peta stabilitas muatan dua dimensi (e67, U67) (Gbr. 4b–g); (3) kami mengidentifikasi posisi interdot muatan yang akurat melalui prosedur pemasangan peta (Gambar Tambahan. 10)⁴⁴; (4) kami melakukan penyesuaian kecil pada gerbang virtual e67 dan U67 untuk memusatkan interdot pada offset (0, 0) dc; (5) kita mengukur garis polarisasi dengan menggunakan jalur AWG ~0.1 kHz (Gbr. 4c, jam). Untuk analisis yang akurat, setiap garis polarisasi merupakan hasil rata-rata 150 jejak, menggunakan waktu integrasi pengukuran 50 μs per piksel. Dengan metode ini, peta berukuran 30×30 penuh diambil dalam beberapa jam. Kami mencocokkan jejak tersebut dengan mempertimbangkan suhu elektron 138 mK dan lengan tuas pelepas ({alfa }_{{epsilon }_{67}}) = 0.012(4) eVV^-1, diekstraksi dari garis polarisasi yang diperluas secara termal (Gambar Tambahan. 13). Kami mengamati bahwa kopling terowongan yang diekstraksi kira-kira mengikuti tren eksponensial sebagai fungsi dari gerbang penghalang. Kami menyesuaikan data yang disajikan pada Gambar. 4e, j pada pengatur terkenal. Pengatur ini menawarkan bantuan hukum kepada traderapabila trader berselisih dengan broker yang terdaftar dengan mereka. (Sekali {rm{e}}^{-B{V}_{rm{g}}}) fungsi, dimana A adalah faktor awal, B adalah lengan tuas penghalang yang efektif dan V_g adalah sumbu gerbang. Kami menemukan bahwa lengan tuas penghalang efektif j_6b7 dan t_6b7 adalah 0.007 ± 0.002 dan 0.021 ± 0.003 mV^-1, masing-masing. Demikian pula, j_6t7 dan t_6t7 adalah 0.008 ± 0.001 dan 0.026 ± 0.003 mV^-1, masing-masing. Hal ini menunjukkan bahwa penghalang nyata LB7 mengontrol kopling vertikal dan horizontal dengan cara yang sama. Secara keseluruhan, hasil ini menunjukkan bahwa lapisan penghalang bawah gerbang UB ~3 kali lebih efektif dibandingkan lapisan penghalang atas gerbang LB. Hal ini sesuai dengan apa yang ditemukan pada Gambar. 2b dan Gambar Tambahan. 5. Kami mencatat bahwa untuk operasi qubit dalam susunan palang seperti itu, sebenarnya perlu untuk sepenuhnya mengkarakterisasi dan mengkalibrasi kemampuan penyesuaian dua penghalang dari 24 tetangga terdekat. Melakukan tugas ini memerlukan peningkatan implementasi perangkat keras kami lebih lanjut dan berada di luar cakupan pekerjaan ini.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Otomotif / EV, Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• ChartPrime. Tingkatkan Game Trading Anda dengan ChartPrime. Akses Di Sini.
• BlockOffset. Modernisasi Kepemilikan Offset Lingkungan. Akses Di Sini.
• Sumber: https://www.nature.com/articles/s41565-023-01491-3