声学声子辅助的硅基杂质电子自旋量子比特的量子控制

摘要

本论文研究了硅基杂质电子自旋量子比特在杂质与Si/SiO2界面之间的量子控制，即电子在杂质与界面之间的输运。将电子从杂质输运到界面主要是为了对电子自旋态进行测量。在实际的量子比特器件中，电子与声学声子之间的相互作用对器件的特性有很重要的影响。因此，在理论模型中我们考虑了声学声子(纵、横声学声子和界面声学声子)，研究了不同声学声子对电子输运过程的贡献。我们还研究了硅能谷的干涉、晶格温度和金属栅的屏蔽效应对输运过程的影响。本文的研究对硅基杂质电子自旋量子比特器件的设计和操控有着重要的意义。
　　 论文首先提出了声学声子辅助的硅基杂质电子的输运机制：电子-声子相互作用引起的电子跃迁导致了电子在杂质与界面之间的实空间转移。电场中的杂质-界面体系在界面附近形成一界面势阱。电子在杂质与界面之间的输运就是电子在这两个势阱之间的空间转移。在耦合的双势阱中，电子的不同量子态(如基态和第一激发态)，在一定条件下分布在不同势阱中。电子与声子之间的相互作用引起的电子在量子态之间的跃迁导致了电子在两个势阱之间的空间转移。电子在两个最低能态之间的量子跃迁是主要的。显然，输运时间即电子的跃迁时间，是一个非常重要的参数。在计算与电子量子跃迁有关的两个电子态时，从较为简单的单谷有效质量近似开始。计算结果表明，纵、横和界面声学声子在不同的电场强度或杂质深度时对输运过程的贡献是不同的。输运时间与电场强度或杂质深度之间的关系展示了双谷性质，输运时间在临界电场或临界杂质位置处有最大值。我们得到了一个重要的结论，杂质到Si/SiO2界面的距离应在约21 nm到32 nm的范围内以保证电子在相干时间内的成功输运。
　　 其次，论文考虑了硅的导带结构，研究了硅能谷的干涉效应对输运过程的影响。在Si/SiO2界面势阱中，与界面垂直的方向上的硅能谷的能量比其它能谷中的能量低很多；杂质与界面之间的电子势不引起不同方向上的能谷之间的耦合。因此，我们用双谷有效质量近似计算了与输运相关的电子态。能谷的干涉没有改变输运时间随电场强度变化的双谷性质。然而，谷的干涉引起输运时间随杂质深度的振荡。在一给定的电场中，杂质在临界位置时，输运时间有最大值。临界电场时的输运时间随杂质深度的变化趋势是增加的。在从-10.0 meV到-1.0 meV的范围内，界面谷-轨道耦合参数的改变对输运时间的影响较小。晶格温度对输运时间的影响随电场强度的变化而改变。在临界电场时，晶格温度的改变对输运时间的影响最大；当电场强度偏离临界电场较远时，晶格温度的改变对输运时间的影响消失。
　　 最后，我们研究了金属栅的屏蔽效应对电子在杂质与界面之间输运的影响。金属栅的屏蔽效应与将金属栅和硅基分离的SiO2层的厚度密切相关。当SiO2的厚度大于10 nm时，SiO2的厚度对电子态和电子在杂质与界面之间的输运没有影响。在实际的器件中，SiO2层的厚度只有几个纳米。电子的量子态即能级和波函数与SiO2的厚度密切相关。在杂质深度给定时，SiO2厚度的改变对输运时间的影响随着电场强度的改变而改变；在临界电场时，SiO2厚度的改变对输运时间的影响最大。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究进展

1.3 研究方法

1.4 论文的结构安排

2 理论基础

2.1 量子力学中的表象理论：非正交基

2.2 电子与声学声子之间的相互作用

2.3 有效质量理论：硅中的杂质态

3 声学声子辅助的硅基杂质电子自旋量子比特的量子控制

3.1 引言

3.2 声学声子辅助的杂质电子自旋量子比特的输运

3.3 杂质-Si/SiO2界面体系中电子的哈密顿

3.4 电子-声学声子相互作用哈密顿

3.4.1 电子与纵、横声学声子的相互作用哈密顿

3.4.2 电子与界面声学声子的相互作用哈密顿

3.5 输运时间

3.6 结果与讨论

3.7 本章小结

4 能谷的干涉对声学声子辅助的杂质电子自旋量子比特的量子控制的影响

4.1 引言

4.2 能谷的干涉对杂质电子哈密顿的影响

4.3 输运时间

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

5 屏蔽效应对声学声子辅助的杂质电子自旋量子比特的量子控制的影响

5.1 引言

5.2 Metal/SiO2/Si三层结构的硅中电子的哈密顿

5.2.1 杂质和电子引起的像势能

5.2.2 Metal/SiO2/Si三层结构的硅中电子的哈密顿

5.3 输运时间

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

致谢

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