論文の概要: Quantum Simulation of an Extended Fermi-Hubbard Model Using a 2D Lattice of Dopant-based Quantum Dots

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2110.08982v1
• Date: Mon, 18 Oct 2021 02:24:05 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-11 04:26:11.514585
• Title: Quantum Simulation of an Extended Fermi-Hubbard Model Using a 2D Lattice of Dopant-based Quantum Dots
• Title（参考訳）: ドパント型量子ドットの2次元格子を用いた拡張フェルミ・ハバード模型の量子シミュレーション
• Authors: Xiqiao Wang, Ehsan Khatami, Fan Fei, Jonathan Wyrick, Pradeep Namboodiri, Ranjit Kashid, Albert F. Rigosi, Garnett Bryant, Richard Silver
• Abstract要約: ハバードモデル(Hubbard model)は、凝縮物質系における本質的な多体物理学を理解するための主要なモデルの一つである。 近年のシリコンの原子レベルでの精密な製造は、原子単位での単一および少数ドーパント量子ドットの創製を可能にしている。 本研究では,STM-Fabricated 3x3 arrays of single/few-dopant quantum dots を用いた2次元拡張フェルミ・ハバード・ハミルトニアンのアナログ量子シミュレーションを実演する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.046411982403706
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The Hubbard model is one of the primary models for understanding the essential many-body physics in condensed matter systems such as Mott insulators and cuprate high-Tc superconductors. Recent advances in atomically precise fabrication in silicon using scanning tunneling microscopy (STM) have made possible atom-by-atom fabrication of single and few-dopant quantum dots and atomic-scale control of tunneling in dopant-based devices. However, the complex fabrication requirements of multi-component devices have meant that emulating two-dimensional (2D) Fermi-Hubbard physics using these systems has not been demonstrated. Here, we overcome these challenges by integrating the latest developments in atomic fabrication and demonstrate the analog quantum simulation of a 2D extended Fermi-Hubbard Hamiltonian using STM-fabricated 3x3 arrays of single/few-dopant quantum dots. We demonstrate low-temperature quantum transport and tuning of the electron ensemble using in-plane gates as efficient probes to characterize the many-body properties, such as charge addition, tunnel coupling, and the impact of disorder within the array. By controlling the array lattice constants with sub-nm precision, we demonstrate tuning of the hopping amplitude and long-range interactions and observe the finite-size analogue of a transition from Mott insulating to metallic behavior in the array. By increasing the measurement temperature, we simulate the effect of thermally activated hopping and Hubbard band formation in transport spectroscopy. We compare the analog quantum simulations with numerically simulated results to help understand the energy spectrum and resonant tunneling within the array. The results demonstrated in this study serve as a launching point for a new class of engineered artificial lattices to simulate the extended Fermi-Hubbard model of strongly correlated materials.
• Abstract（参考訳）: ハバードモデル(Hubbard model)は、モット絶縁体や銅酸化物高温超伝導体のような凝縮物質系における重要な多体物理学を理解するための主要なモデルの一つである。 走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いたシリコンの原子精密加工の最近の進歩は、単一および少数の量子ドットの原子間加工とドーパント系デバイスにおけるトンネルの原子スケール制御を可能にしている。 しかし、多成分デバイスの複雑な製造要件により、2次元(2次元)フェルミ・ハバード物理学をエミュレートすることは証明されていない。 本稿では,原子製造の最新技術を統合することでこれらの課題を克服し,シングル/fewドーパント量子ドットの3x3配列を用いた2次元拡張フェルミ・ハバード・ハミルトニアンのアナログ量子シミュレーションを実証する。 本研究では、平面内ゲートを用いた電子アンサンブルの低温量子輸送とチューニングを効率よく行い、電荷付加、トンネル結合、アレイ内の障害の影響など多体特性を特徴づける。 アレイ格子定数をサブnm精度で制御することにより、ホッピング振幅と長距離相互作用のチューニングを行い、モット絶縁から金属挙動への遷移の有限サイズの類似性を観測する。 測定温度を増加させることにより, 熱活性化ホッピングおよびハバードバンド形成が輸送スペクトルに及ぼす影響をシミュレーションする。 我々は、アナログ量子シミュレーションと数値シミュレーション結果を比較し、アレイ内のエネルギースペクトルと共鳴トンネルを理解するのに役立てる。 本研究で得られた結果は,強相関材料の拡張フェルミ・ハバード模型をシミュレートする新しい人工格子の出発点となる。

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