聲學聲子輔助的硅基雜質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電子自旋量子比特在雜質與Si/SiO2界面之間的量子控制，即電子在雜質與界面之間的輸運。將電子從雜質輸運到界面主要是為了對電子自旋態(tài)進行測量。在實際的量子比特器件中，電子與聲學聲子之間的相互作用對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聲子(縱、橫聲學聲子和界面聲學聲子)，研究了不同聲學聲子對電子輸運過程的貢獻。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對輸運過程的影響。本文的研究對硅基雜

2、質電子自旋量子比特器件的設計和操控有著重要的意義。
　　 論文首先提出了聲學聲子輔助的硅基雜質電子的輸運機制：電子-聲子相互作用引起的電子躍遷導致了電子在雜質與界面之間的實空間轉移。電場中的雜質-界面體系在界面附近形成一界面勢阱。電子在雜質與界面之間的輸運就是電子在這兩個勢阱之間的空間轉移。在耦合的雙勢阱中，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、導致了電子在兩個勢阱之間的空間轉移。電子在兩個最低能態(tài)之間的量子躍遷是主要的。顯然，輸運時間即電子的躍遷時間，是一個非常重要的參數。在計算與電子量子躍遷有關的兩個電子態(tài)時，從較為簡單的單谷有效質量近似開始。計算結果表明，縱、橫和界面聲學聲子在不同的電場強度或雜質深度時對輸運過程的貢獻是不同的。輸運時間與電場強度或雜質深度之間的關系展示了雙谷性質，輸運時間在臨界電場或臨界雜質位置處有最大值。我們得到了一個重要的結論，雜質到Si/SiO2界

4、面的距離應在約21 nm到32 nm的范圍內以保證電子在相干時間內的成功輸運。
　　 其次，論文考慮了硅的導帶結構，研究了硅能谷的干涉效應對輸運過程的影響。在Si/SiO2界面勢阱中，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；雜質與界面之間的電子勢不引起不同方向上的能谷之間的耦合。因此，我們用雙谷有效質量近似計算了與輸運相關的電子態(tài)。能谷的干涉沒有改變輸運時間隨電場強度變化的雙谷性質。然而，谷的干涉引起輸運時間隨

5、雜質深度的振蕩。在一給定的電場中，雜質在臨界位置時，輸運時間有最大值。臨界電場時的輸運時間隨雜質深度的變化趨勢是增加的。在從-10.0 meV到-1.0 meV的范圍內，界面谷-軌道耦合參數的改變對輸運時間的影響較小。晶格溫度對輸運時間的影響隨電場強度的變化而改變。在臨界電場時，晶格溫度的改變對輸運時間的影響最大；當電場強度偏離臨界電場較遠時，晶格溫度的改變對輸運時間的影響消失。
　　 最后，我們研究了金屬柵的屏蔽效應對電子在雜