論文の概要: Atomistic compositional details and their importance for spin qubits in isotope-purified silicon-germanium quantum wells
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.19974v1
- Date: Thu, 30 May 2024 11:57:18 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-05-31 14:38:07.760227
- Title: Atomistic compositional details and their importance for spin qubits in isotope-purified silicon-germanium quantum wells
- Title（参考訳）: 同位体精製シリコン-ゲルマニウム量子井戸におけるスピン量子ビットの原子組成の詳細とその重要性
- Authors: Jan Klos, Jan Tröger, Jens Keutgen, Merritt P. Losert, Helge Riemann, Nikolay V. Abrosimov, Joachim Knoch, Hartmut Bracht, Susan N. Coppersmith, Mark Friesen, Oana Cojocaru-Mirédin, Lars R. Schreiber, Dominique Bougeard,
- Abstract要約: SiGe28$Si/SiGeヘテロ構造における同位体組成の深さ分布を解析した。
この量子井戸(QW)のヘテロ構造において、スピン-エチョ縮退時間と谷エネルギー分割が単一のスピン量子ビットに対して観測されている。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Understanding crystal characteristics down to the atomistic level increasingly emerges as a crucial insight for creating solid state platforms for qubits with reproducible and homogeneous properties. Here, isotope composition depth profiles in a SiGe/$^{28}$Si/SiGe heterostructure are analyzed with atom probe tomography (APT) and time-of-flight secondary-ion mass spectrometry. Spin-echo dephasing times $T_2^{echo}=128 \mu s$ and valley energy splittings around $200 \mu eV$ have been observed for single spin qubits in this quantum well (QW) heterostructure, pointing towards the suppression of qubit decoherence through hyperfine interaction or via scattering between valley states. The concentration of nuclear spin-carrying $^{29}$Si is 50 ppm in the $^{28}$Si QW. APT allows to uncover that both the top SiGe/$^{28}$Si and the bottom $^{28}$Si/SiGe interfaces of the QW are shaped by epitaxial growth front segregation signatures on a few monolayer scale. A subsequent thermal treatment broadens the top interface by about two monolayers, while the width of the bottom interface remains unchanged. Using a tight-binding model including SiGe alloy disorder, these experimental results suggest that the combination of the slightly thermally broadened top interface and of a minimal Ge concentration of $0.3 \%$ in the QW, resulting from segregation, is instrumental for the observed large valley splitting. Minimal Ge additions $< 1 \%$, which get more likely in thin QWs, will hence support high valley splitting without compromising coherence times. At the same time, taking thermal treatments during device processing as well as the occurrence of crystal growth characteristics into account seems important for the design of reproducible qubit properties.
- Abstract（参考訳）: 結晶特性を原子レベルまで理解することは、再現可能で均質な性質を持つ量子ビットの固体プラットフォームを作るための重要な洞察として、ますます現れている。
ここでは,SiGe/$^{28}$Si/SiGeヘテロ構造中の同位体組成の深さ分布を原子プローブトモグラフィー(APT)と飛行時間二次イオン質量分析法を用いて解析した。
スピン-echo dephasing times $T_2^{echo}=128 \mu s$と谷エネルギー分裂は約200 \mu eV$が、この量子井戸(QW)ヘテロ構造において単一のスピン量子ビットに対して観測され、超微細相互作用や谷状態間の散乱による量子ビットのデコヒーレンスの抑制を示唆している。
核スピン担持$^{29}$Siの濃度は、$^{28}$Si QWの50ppmである。
APTは、上層SiGe/$^{28}$Siと下層QWの$^{28}$Si/SiGe界面が、いくつかの単層スケールでエピタキシャル成長フロント偏析シグネチャによって形成されることを明らかにすることができる。
その後の熱処理により表面を約2つの単層で広げるが、底面の幅は変化しない。
SiGe合金障害を含む密結合モデルを用いて, この実験結果から, わずかに熱膨張した表層界面とQW中のGe濃度が0.3 %の最小濃度との組み合わせが, 偏析による大きな谷分割に有効であることが示唆された。
最小Geの加算は$<1 \%$で、これはQWが細くなりやすいため、コヒーレンスタイムを損なうことなく高い谷分割をサポートする。
同時に, デバイスプロセス中の熱処理や結晶成長特性を考慮した場合も, 再現可能な量子ビット特性の設計に重要であると考えられる。
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