論文の概要: Design and Optimization of Spin Dynamics in Ge Quantum Dots: g-Factor Modulation, Dephasing Sweet Spots, and Phonon-Induced Relaxation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.10731v1
• Date: Fri, 12 Sep 2025 22:39:03 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-16 17:26:22.75459
• Title: Design and Optimization of Spin Dynamics in Ge Quantum Dots: g-Factor Modulation, Dephasing Sweet Spots, and Phonon-Induced Relaxation
• Title（参考訳）: Ge量子ドットにおけるスピンダイナミクスの設計と最適化:g因子変調、スウィートスポットの強調、フォノン誘起緩和
• Authors: Ngoc Duong, Daryoosh Vashaee,
• Abstract要約: ひずみSi$_0.2$Ge$_0.8$/Geヘテロ構造におけるゲート定義量子ドット孔スピン量子ビットの3次元研究を示す。 本稿では,電界誘導型g-factor変調におけるデバイスサイズとゲートバイアスの影響を定量化し,電荷雑音に対するg-factor感度が最小となる垂直電界における「スイートスポット」を同定する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Accurate modeling of spin dynamics in hole-based quantum dot qubits demands high-fidelity simulations that capture realistic device geometries, material interfaces, and self-consistent electrostatics. Here, we present a comprehensive three-dimensional study of gate-defined quantum dot hole spin qubits in strained Si$_{0.2}$Ge$_{0.8}$/Ge heterostructures. In contrast to prior work relying on idealized confinement or decoupled Poisson-Schr\"odinger treatments, our approach combines self-consistent electrostatics with a four-band Luttinger-Kohn Hamiltonian to resolve spin-orbit interactions, wavefunction asymmetries, and g-tensor anisotropies in realistic device structures. We quantify the impact of device size and gate bias on wavefunction localization, electric-field-induced g-factor modulation, and identify "sweet spots" in vertical electric field where g-factor sensitivity to charge noise is minimized, enhancing spin dephasing times. Spin relaxation due to phonon coupling is also modeled, revealing size-dependent T1 behavior consistent with strong Rashba-type spin-orbit coupling and a magnetic-field scaling near $B^{-8}$. This work establishes a predictive modeling framework for optimizing spin coherence in planar Ge quantum dots and provides quantitative design guidance for scalable, electrically controlled hole spin qubits in group-IV semiconductors.
• Abstract（参考訳）: ホールベースの量子ドット量子ビットにおけるスピンダイナミクスの正確なモデリングは、現実的なデバイスジオメトリ、物質界面、自己整合静電をキャプチャする高忠実性シミュレーションを必要とする。 ここでは、ひずみしたSi$_{0.2}$Ge$_{0.8}$/Geヘテロ構造におけるゲート定義量子ドットホールスピン量子ビットの包括的3次元研究を示す。 理想的閉じ込めや非結合型ポアソン・シュル・オーディンガー処理に依存する以前の研究とは対照的に,我々は4バンドのルッティンガー・コーン・ハミルトニアンと自己整合静電を結合して,現実的なデバイス構造におけるスピン軌道相互作用,波動関数アシンメトリー,g-テンソル異方性を解く。我々は,波動関数の局在化,電界誘導g-ファクタ変調,およびg-ファクタの電荷雑音に対する感度が最小化される垂直電界における「スイートスポット」の同定,スピン減速時間の向上を行う。 フォノンカップリングによるスピン緩和もモデル化され、Rashba型スピン軌道カップリングとB^{-8}$付近の磁場スケーリングと一致する大きさ依存的なT1挙動が明らかになった。 この研究は、平面Ge量子ドットにおけるスピンコヒーレンスを最適化するための予測モデリングフレームワークを確立し、グループIV半導体におけるスケーラブルで電気的に制御されたホールスピンキュービットのための定量的設計ガイダンスを提供する。

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