实时探测单电子自旋态的方法技术

本发明专利技术涉及了一种实时探测单电子自旋态的方法。当量子点能级由于外磁场而发生Ｚｅｅｍａｎ分裂或与电极间的隧穿速率与自旋有关时，单个电子所携带的自旋信息就与其通过该量子点时在量子点上的留滞时间联系起来。通过设计合适的单电子探测器件并调节该器件的噪声水平，能够分辨出该电子的自旋状态。预期该器件能够以较高的频率进行工作，所以能给出量子点上自旋态的实时信息。该装置在量子信息处理等方面有重要的潜在应用。所需要的条件完全能在当前实验条件下予以实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设计了一种基于量子点和量子点接触的实时探测单电子自旋态 的方法。在量子信息处理以及量子计算等方面有重要潜在用途。背暈技术电子的自旋自由度为信息处理提供了一个更广阔的舞台。电子自旋相对 于外磁场的方向或者铁磁物质的磁化方向只能取"上"或者"下"两个方向。 因此，电子自旋是天然的量子比特的载体。基于电子自旋实现的量子比特是 许多固态量子计算机架构的关键组成部分。实现基于自旋的量子计算机的一个关键就是对单电子自旋态的实时电 学测量。由于与自旋相关的固有相互作用总是很弱，因此，单电子自旋态的 测量一直都十分困难。与此相反，单电子电荷的测量早已十分成熟了。因此， 以往的单电子自旋态的测量方法都依赖于首先将电子的自旋信息转化为电荷信息，然后再进行测量(Nature 430， 431， (2004)， Nature 430， 435， (2004))。这些测量方案都包括了两个步骤1)自旋一电荷转换将电子 的自旋态信息通过在某一势阱的电子占据数目来表示。2)电子电荷测量 通过测量该势阱的电荷信息来反应初始电子的自旋信息。很显然，以上测量 方案中自旋一电荷转换是测量成功的关键。但是单电子水平的自旋一电荷转 换本身对实验就提出了新的挑战。同时，自旋一电荷转换步骤也降低了该自 旋探测器的工作速率，不利于在高速量子信息处理上的应用。因此，迫切需 要一种不依赖自旋一电荷转换的单电子自旋电学测量方法。为此，本专利技术人 拟提出一种通过把自旋信息与电子在探测器量子点(QD)上的留滞时间联 系起来实现单电子自旋态的测量的设想。
技术实现思路
本专利技术提出一种。所述的实时单电子自旋 态的测量方法是基于量子点和量子点接触，也即将自旋信息与电子在探测量 子点上的留滞时间联系起来。本专利技术首先分析利用量子点接触(QPC)探测量子点(QD)上电子是 否存在的单电子探测器。QPC和QD彼此电学上分离，但是容性耦合。当一 个单电子隧穿到QD时，QPC附近的势场会立刻发生改变。这一变化会导致 QPC的传输几率发生变化。因此QPC的电导对是否有电子处于QD上表现 得十分敏感。通过测量通过QPC的电流就可以知道是否有电子处于量子点 上了 。最近的实验已经演示了在很短的时间尺度上(10微秒Nature 430， 431 (2004))测量量子点的实时电子态信息。这一尺度比电子自旋反转的时间 (约50微秒Nature 430， 431 (2004))要短得多。因此，这一方法可以成 为实时测量单电子自旋态信息的基础。仔细分析这一测量过程可以发现，单 电荷的测量与QPC的噪声水平有关。假设温度为0° K时，主要的噪声是由 于电子的粒子性引起的散弹噪声，而热噪声为O，可以忽略。当外加在QPC 上的电压为V时，电子进入QPC的速率为2eV/h。其中，e是电子电荷单位， h为Planck常数。在电流测量间隔时间t内，总共有N=2eV/hxT个电子进 入QPC。这些电子可能被反射也可能穿过QPC。这些电子通过QPC的输运 可以认为是二项随机过程。当在QD上没有电子时，QPC的传输几率为Td， 时间间隔t内通过QPC的电子数目为iV, =NxTxTd=2eV/hxTxTd。其标准偏差 为o(at,)= ^/a^(1 -正好是散弹噪声的起源。如果在测量间隔t内有一个 电子进入QD，那么QPC的传输几率就会发生改变，设为AT;。假设电子在 QD上的留滞时间为Td,这个时间是电子与QD相互作用的时间，也是QPC 传输几率发生改变的时间。这时，通过QPC的平均电子数目为乂' = ^一，Mrd。 一次成功的探测要求信号的变化远大于噪声水平，即y —7V,》CT(iV,)。艮卩公式(1)表明QPC只能探测那些在QD上的留滞时间大于某一个临界时间Te的电子。这一临界时间可以通过改变参数来调节。公式(1)是本专利技术设计的单电子自旋态探测的基础。如果具有不同自旋信息的电子在QD上的留滞时间与自旋有关，那么自旋信息就与其在QD 停留的时间长短联系起来了。当不同自旋的留滞时间差别很大时，则可以通 过调节器件参数，使某一自旋的电子的留滞时间远大于临界时间V而具有相反自旋的电子的留滞时间小于Te。那么，通过测量QPC的电流，可以通过比较电导的变化探测具有较长留滞时间的自旋，而具有较短留滞时间的自 旋所引起的电导变化就被噪声所湮没了。这样，不需要任何自旋一电荷转换 就实现了单电子自旋信息的探测。图1 (a)是本专利技术设计的探测器的示意图。处于中间的QD与两个弹道 电极相连。QD的能级高于平衡时电极的Fermi能级，因此电极中的电子由 于能量守恒不能跃迁到QD上去。只有从自旋注入器注入的电子能通过QD 传输。在讨论前我们先假设l)自旋注入器是一个理想的单电子自旋信息源。 每次只有一个电子能注入QD，该电子的自旋方向代表了所携带的信息；2) 自旋弛豫时间要远远长于其它时间尺度，因此自旋弛豫效应可以忽略；3)电 子在QD上的留滞时间是与自旋相关的，而且该留滞时间的大小可以方便地 控制，满足关系^》、》M，如图l(b)所示。使用两个不同探测灵敏度的 QPC探测器来完成非侵入的单电子探测。其中，QPC电荷探测器能给出在 探测间隔内是否有一个电子位于QD，而通过测量QPC自旋探测器只能反映 出在探测间隔内是否有自旋向下的电子通过该QD。通过比较这两个探测器 的输出结果就可以得到时间分辨的QD自旋态的信息。图l(c)就是这样的一个假想实验的实验结果。总之，QPC电荷探测器回答了在探测时间间隔内是 否有电子通过的问题，而QPC自旋探测器回答了这个电子的自旋是什么的 问题。在前面的讨论中我们用到了留滞时间这个概念。尽管对于隧穿过程中的 时间尺度还存在很多争论，但是留滞时间被广泛接受为具有能量E的电子通 过某一个相互作用区域所花的平均时间，而不管相互作用以后，这个电子是 被反射或者传导。目前有多种方法可以计算留滞时间。Smith等人(Phys. Rev. 118， 349 (I960))定义了静态留滞时间为在相互作用区域找到这个粒子的 几率与入射流量的比值。此时，留滞时间与Smith寿命矩阵的对角元联系起 来了。利用Larmor进动作为表征隧穿过程各种时间的方法也得到广泛研究 (Phys, Rev. B 27， 6178 (1983))。特别的，Gasparian等人指出(Phys. Rev. B47， 2038 (1993); Phys. Rev. B 51， 4727 (1995))入射电子的留滞时间 与该区域的局域能态密度有关。对于本文中的一维且两边的耦合强度是对称 的情况，入射电子的留滞时间为t^(五)-油A(五) (2)其中A("是自旋为o的局域能态密度。 一般来说，QD能级的能态密度可以看做是一个Lorentzian线形的函数，其中心在QD能级而线宽决定于耦 合强度。公式(2)表明i)电子能量与QD能级相当时具有较长的留滞时间， 因为这时电子可以在该能级上不断跃迁。而能量偏离该共振能级的电子由于 会被直接散射而具有很小的留滞时间；ii)当电子能量都与共振能级相当时， 具有较小线宽的能级的寿命较长。因此，当一个具有特定能量且携带自旋信 息的电子穿过QD时，我们可以通过Zeeman分裂来使不同自旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实时探测单电子自旋态的方法，其特征在于通过设计的单电子探测器并调节其噪声水平，从而分辨出单电子的自旋状态；具体是使用两个不同探测灵敏度的ＱＰＣ探测器进行，ＱＰＣ电荷探测器给出探测间隔内是否有一个电子位于ＱＤ，而通过ＱＰＣ自旋探测器反映出在探测间隔内是否有自旋向下的电子通过ＱＤ，通过比较两个探测的输出结果就可得到时间分辨的ＱＤ自旋态信息；所述的ＱＰＣ探测器是一个处于中间的ＱＤ与两个弹道电极相连，ＱＤ的能级高于平衡时电极的Ｆｉｒｍｉｎ能级；所述的ＱＰＣ表示量子点接触，ＱＤ表示探测量子点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：伍滨和，曹俊诚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]