基于锗芯硅壳一维半导体异质结构自旋量子比特的高速时间域调控研究

由于量子器件大多具有非常短的相干时间，从而很快失去量子信息。因此，当前固态量子调控研究的核心工作是一方面寻找退相干时间长的量子体系，一方面改进极低温下的高速实验手段，以便在量子信息失去前读出信息。本课题从这两方面同时入手，研究锗芯硅壳纳米线异质结构这一具有优异电学特性并且不具有核自旋的新型一维纳米材料在自旋电子学方面应用的前景。计划采用射频单电子晶体管这一目前最快最灵敏的电荷/电势探测器，利用外加磁场造成自旋能级分裂以实现对自旋量子比特的读取。相关研究需要构建极低温环境下相对复杂的射频/微波电路，国际上只有几个小组有能力从事这方面的工作。项目申请人希望把自己在美国多年的相关研究经验与中科院物理所优越的低温物理实验条件相结合，弥补国内这方面实验工作的空白。

拓扑绝缘体是凝聚态物理的研究热点。作为一种新的量子物态，拓扑绝缘体的金属表面态是由其绝缘体能带的特殊拓扑性质在边界决定的。这种与表面具体结构无关的受拓扑保护的表面态非常稳定，基本不受到杂质与无序的影响，因而在无损耗的电学传输、容错拓扑量子计算、自旋电子学等领域有巨大的应用前景。困扰当前拓扑绝缘体实验研究的一个难点是三维绝缘体材料Bi2Se3由于Se空位缺陷而存在较大的体态导电。针对这个问题，本项目利用化学气相沉积CVD合成Bi2Se3纳米线这一具有较大表面积/体积比的纳米结构，并通过Sb掺杂填补Se空位的方式，进一步达到抑制体态导电的目的。我们还建设了两套极低温测量系统，研制了可应用于中/低频电学输运测量的极低温低噪声前置放大器，在4.2K的液氦温度可以在500KHz以下获得15倍的放大倍数，同时功耗只有1.6mW。我们摸索了纳米线的转移、定位、电子束光刻套刻、金属电极与绝缘材料的真空蒸镀工艺，制备了多种正常金属、超导金属、铁磁金属电极以及具有更强调节能力顶门的拓扑绝缘体纳米线器件。对拓扑绝缘体纳米线极低温电学输运性质的测量观察到了一些新奇现象：包括 “正常金属电极Bi2Se3纳米线的类似超导现象”，“非铁磁电极Bi2Se3纳米线近0场磁阻跳变现象”，“磁场下临近效应诱发的Bi2Se3纳米线超导反常增强”和“门可调的Sb掺杂Bi2Se3纳米线场效应管的在狄拉克点低频电流噪声的增强”。这些现象的测量和分析有助于我们理解拓扑绝缘体表面态新奇的电学输运机制，为未来可能的应用提供了借鉴。