論文の概要: Ab-Initio Calculations of Nonlinear Susceptibility and Multi-Phonon Mixing Processes in a 2DEG-Piezoelectric Heterostructure

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2402.00303v3
• Date: Sat, 4 May 2024 01:25:34 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-05-07 23:45:49.744605
• Title: Ab-Initio Calculations of Nonlinear Susceptibility and Multi-Phonon Mixing Processes in a 2DEG-Piezoelectric Heterostructure
• Title（参考訳）: 2DEG-圧電ヘテロ構造における非線形感受性とマルチフォノン混合過程の非初期計算
• Authors: Eric Chatterjee, Alexander Wendt, Daniel Soh, Matt Eichenfield,
• Abstract要約: 固体弾性波フォノンは、幅広い量子情報応用のための有望なプラットフォームである。 圧電半導体ヘテロ構造を用いた汎用アーキテクチャを提案する。 このシステムでは, 強い3階非線形性により, 音響キャビティ内でのシングルフォノンKerrシフトが可能であることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 41.94295877935867
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Solid-state elastic-wave phonons are a promising platform for a wide range of quantum information applications. An outstanding challenge and enabling capability in harnessing phonons for quantum information processing is achieving strong nonlinear interactions between them. To this end, we propose a general architecture using piezoelectric-semiconductor heterostructures consisting of a piezoelectric acoustic material hosting phonon modes in direct proximity to a two-dimensional electron gas (2DEG). Each phonon in the piezoelectric material carries an electric field, which extends into the 2DEG. The fields induce polarization of 2DEG electrons, which in turn interact with other piezoelectric phononic electric fields. The net result is coupling between the various phonon modes. We derive, from first principles, the nonlinear phononic susceptibility of the system. We show that many nonlinear processes are strongly favored at high electron mobility, motivating the use of the 2DEG to mediate the nonlinearities. We derive in detail the first, second, and third-order susceptibilities and calculate them for the case of a lithium niobate surface acoustic wave interacting with a GaAs-AlGaAs heterostructure 2DEG. We show that, for this system, the strong third-order nonlinearity could enable single-phonon Kerr shift in an acoustic cavity that exceeds realistic cavity linewidths, potentially leading to a new class of acoustic qubit. We further show that the strong second-order nonlinearity could be used to produce a high-gain, traveling-wave parametric amplifier to amplify--and ultimately detect--the outputs of the acoustic cavity qubits. Assuming favorable losses in such a system, these capabilities, combined with the ability to efficiently transduce phonons from microwave electromagnetic fields in transmission lines, thus hold promise for creating all-acoustic quantum information processors.
• Abstract（参考訳）: 固体弾性波フォノンは、幅広い量子情報応用のための有望なプラットフォームである。 量子情報処理にフォノンを使用する際、顕著な課題と有効性は、それらの間の強い非線形相互作用を達成することである。 そこで本研究では,2次元電子ガス(2DEG)に直接近接してフォノンモードをホストする圧電音響材料からなる圧電-半導体ヘテロ構造を用いた汎用アーキテクチャを提案する。 圧電材料中の各フォノンは電場を持ち、2DEGに延びる。 電場は2DEG電子の偏光を誘導し、他の圧電体電場と相互作用する。 その結果、様々なフォノンモードが結合する。 第一原理から、システムの非線形音素感受性を導出する。 多くの非線形過程が高電子移動度で強く好まれており、非線形性の媒介となる2DEGの使用が動機であることが示される。 GaAs-AlGaAsヘテロ構造2DEGと相互作用するニオブ酸リチウム表面の音響波の場合、第1、第2、第3の感受性を詳細に算出する。 このシステムでは、3階の強い非線形性により、現実的なキャビティ線幅を超える音響キャビティでのシングルフォノン・カーシフトが可能となり、新しい音響量子ビットのクラスが生まれる可能性が示されている。 さらに,音場量子ビットの出力を増幅し,最終的に検出するために,高利得の進行波パラメトリック増幅器を生成するために,強い二階非線形性を用いることを示した。 このようなシステムにおいて良好な損失を仮定すると、これらの能力は伝送線路内のマイクロ波電磁場からフォノンを効率よく伝送する能力と相まって、全音響量子情報プロセッサを作成することを約束する。

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