論文の概要: Effect of disorder and strain on the operation of planar Ge hole spin qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.06949v1
• Date: Mon, 10 Feb 2025 19:00:03 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-02-12 14:06:25.502828
• Title: Effect of disorder and strain on the operation of planar Ge hole spin qubits
• Title（参考訳）: 平面Ge孔スピンキュービットの動作に及ぼす障害とひずみの影響
• Authors: Abhikbrata Sarkar, Pratik Chowdhury, Xuedong Hu, Andre Saraiva, A. S. Dzurak, A. R. Hamilton, Rajib Rahman, S. Das Sarma, Dimitrie Culcer,
• Abstract要約: 歪んだ$textGe/textSi_1-xtextGe_x$ヘテロ構造におけるゲルマニウム量子ドットは実験において高速でコヒーレントな量子ビット制御を示す。 平面Ge孔スピン量子ビットの動作に対するランダム合金障害とゲート誘起ひずみの影響を数値的に解決する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3337580050426897
• License:
• Abstract: Germanium quantum dots in strained $\text{Ge}/\text{Si}_{1-x}\text{Ge}_{x}$ heterostructures exhibit fast and coherent hole qubit control in experiments. In this work, we theoretically and numerically address the effects of random alloy disorder and gate-induced strain on the operation of planar Ge hole spin qubits. Electrical operation of hole quantum dot spin qubits is enabled by the strong Rashba spin-orbit coupling (SOC) originating from the intrinsic SOC in the Ge valence band as well as from the structural inversion asymmetry inherent in the underlying 2D hole gas. We use the atomistic valence force field (VFF) method to compute the strain due to random alloy disorder, and thermal expansion models in COMSOL Multiphysics to obtain the strain from a realistic gate-stack of planar hole quantum dot confinement. Recently, spin-orbit coupling terms $\propto k$ have been shown to be induced by strain inhomogeneity. Our hybrid approach to realistic device modeling suggests that strain inhomogeneity due to both random alloy disorder and gate-induced strain make a strong contribution to the linear-$k$ Dresselhaus spin-orbit coupling, which eventually dominates hole spin EDSR; and there exist specific in-plane orientations of the global magnetic field $\mathbf{B}$ and the microwave drive $\mathbf{\tilde{E}}_{\text{ac}}$ for maximum EDSR Rabi frequency of the hole spin qubit. The current model including strain inhomogeneity accurately predicts the EDSR Rabi frequency to be $\!\sim\!100$ MHz for typical electric and magnetic fields in experiments, which represents at least an order of magnitude improvement in accuracy over phenomenological models assuming uniform uniaxial strain. State-of-the-art atomistic tight binding calculations via nano-electronic modeling (NEMO3D) are in agreement with the $\mathbf{k}{\cdot}\mathbf{p}$ description.
• Abstract（参考訳）: 歪んだ$\text{Ge}/\text{Si}_{1-x}\text{Ge}_{x}$ヘテロ構造を持つゲルマニウム量子ドットは、実験において高速でコヒーレントなホール量子ビット制御を示す。 本研究では, 平面Ge孔スピン量子ビットの動作に対するランダム合金障害とゲート誘起ひずみの影響を理論的, 数値的に検討する。 ホール量子ドットスピン量子ビットの電気的操作は、Ge価バンドの内在性SOCに由来する強いラシュバスピン軌道結合(SOC)と、基礎となる2次元ホールガスに固有の構造反転非対称性によって実現される。 我々は,原子価力場(VFF)法を用いてランダムな合金障害によるひずみを計算し,COMSOL多物理系の熱膨張モデルを用いて,平面孔量子ドット閉じ込めの現実的なゲートスタックからひずみを得る。 近年、スピン軌道結合項 $\propto k$ はひずみ不均一性によって誘導されることが示されている。 現実的なデバイスモデリングへの我々のハイブリッドアプローチは、ランダム合金障害とゲート誘起ひずみの両方によるひずみ不均一性は、最終的にホールスピンEDSRを支配する線状-k$Dresselhausスピン軌道結合に強く寄与し、大域磁場$\mathbf{B}$とマイクロ波駆動$\mathbf{\tilde{E}}_{\text{ac}}$の平面配向が存在することを示唆している。 ひずみ不均一を含む現在のモデルは、EDSR Rabi周波数を正確に$\!と予測する。 ようこそ! 実験における典型的な電場および磁場に対する100$MHzは、一様一軸ひずみを仮定する現象学モデルに対して、少なくとも1桁の精度向上を示す。 ナノエレクトロニクスモデリング(NEMO3D)による最先端原子論的密結合計算は、$\mathbf{k}{\cdot}\mathbf{p}$記述と一致する。

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