关键词：
石墨烯
量子点
p-n结势垒
双层石墨烯门控量子点
自旋轨道耦合
摘要：
石墨烯的自旋轨道耦合与超精细相互作用较弱,所以被认为是承载自旋量子比特的理想材料之一。除自旋外,石墨烯中的电子还具有能谷自由度,可用于编码能谷量子比特,或与自旋自由度组合,编码自旋能谷量子比特。为了在石墨烯中实现量子比特,一种可行的方案是使用门控量子点。门控量子点可以用电场束缚单个电子,允许在单粒子层面上操控电子的自旋和能谷自由度,从而实现信息的编码和处理。因此,近年来石墨烯量子点受到了广泛关注并取得了一系列进展,包括实现可调的单量子点和双量子点,展示了自旋和能谷泡利阻塞等。然而,其中一些重要的问题还有待探索,例如在实际的双层石墨烯器件中,自旋轨道耦合的主导机制尚未完全清楚。
自旋轨道耦合作用是造成自旋比特退相干的重要因素之一,同时自旋轨道耦合强度还影响着自旋比特的操作速率。另一方面,在双层石墨烯中,自旋轨道耦合作用决定了零磁场下自旋能谷态之间的劈裂大小,从而影响了自旋能谷比特的频率。尽管在本征的双层石墨烯中,自旋轨道耦合作用被认为是由Kane-Mele型机制主导,但在实际的器件中,因氮化硼包裹带来的近邻效应,以及外加电场等因素的存在,自旋轨道耦合的主导机制仍存在争议。
因此,本论文将对双层石墨烯门控量子点器件中的自旋轨道耦合的机制展开研究。为此,我们首先制作了高质量的,达到少电子区的可调双层石墨烯门控量子点器件。以此为基础,我们对单电子的激发态开展了磁谱输运研究,结合理论计算分析得出结论,自旋轨道耦合的主导机制为内秉的Kane-Mele型自旋轨道耦合。进一步地,我们还展示了多量子点的形成,可作为多比特扩展的基础。
论文主要内容包括:
1.在介绍了量子点基本原理、制作的技术手段以及表征方法后,我们用场效应管器件验证了电极电压对双层石墨烯的带隙的调节,可以引入绝缘态以作为隧穿势垒。在此基础上,我们探索了两种束缚量子点的方案,并用顶部电极方案实现了电流通道的关闭,确定其作为实现量子点的技术路线。
2.基于顶部电极的技术路线,我们实现了高度可调的双层石墨烯门控单量子点,可以达到少电子区和少空穴区,且其p-n结隧穿势垒可以被单调地调节。在此基础上,我们还展示了多栅方案下,不同电极对p-n结隧穿势垒的独立调节。
3.利用可调的双层石墨烯门控量子点,我们在大电场下,测量了单电子激发态的磁谱输运,并提取了双层石墨烯的自旋轨道耦合劈裂。将实验结果与其他实验组小电场下的报道结果对比,得出自旋轨道耦合劈裂的大小与电场无关。结合密度泛函理论计算,考虑在不同的氮化硼与双层石墨烯堆叠情形下,自旋轨道耦合劈裂的计算结果验证了电场的非依赖关系,并进一步指出了氮化硼对自旋轨道耦合劈裂的贡献较弱。因此,结合理论和实验结果,我们得出结论,双层石墨烯门控量子点器件中的自旋轨道耦合由Kane-Mele型机制主导。
4.在以上工作的基础上,我们在一系列不同的多栅器件内实现了多量子点的束缚,展示了包括电子型与空穴型的双量子点、三量子点,为多比特扩展提供了技术基础。
主要创新点包括:
1.在双层石墨烯门控量子点中实现了电极电压对p-n结势垒的单调调节,且可以在多栅结构中通过各电极独立进行。
2.建立了一种叠加降噪方法,用于分辨自旋能谷态的能级,从而允许通过拟合方法,定量提取自旋和能谷的g因子与自旋轨道耦合劈裂。
3.通过双层石墨烯门控量子点中单电子的磁谱输运实验,在大电场下测量了自旋轨道耦合劈裂,结合理论计算,揭示了双层石墨烯门控量子点器件中的自旋轨道耦合作用由Kane-Mele机制占主导。
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