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摘要：二十世纪的信息论述给人类社会带来了前所未有的进展,而随着科学技术的持续进步和量子信息技术的快速进展,二十一世纪将是量子信息的时代。半导体电控量子点被科学界认为是最有可能实现固态量子计算的量子系统,成为当下国际前沿物理学中最重要和最热门的探讨领域之一。半导体量子点的制备工艺与传统的芯片工艺有很多相近的地方,由此,该领域的广泛探讨也极大地推动了各种微纳加工技术、射频运用测量技术和极低温运用测量技术等相关技术的快速进展。本论文就是在此国际前沿探讨领域中,针对半导体砷化镓栅极电控量子点器件进行了极低温下单电子电荷和自旋测量的实验探讨。主要针对两个方面：一是利用量子点接触(QPC)通道的反作用,可以驱动量子点中的电子隧穿出量子点或者以基态跃迁至激发态。通过电子电荷统计计数的测量,在实验上给出了QPC通道对量子点的反作用强度在定量上的描述。对于量子点中填充1到6个电子时,给出了精细的电子能级谱,以及在加了平行磁场以后的电子自旋激发态谱。二是利用加脉冲技术,测量单量子点中填充2、4、6个电子时,电子自旋三态和自旋单态之间的弛豫时间石随着量子点中填充电子数目的变化,以及QPC通道的反作用对量子点中填充2个电子时,自旋三态和自旋单态之间弛豫时间T1的影响。本论文主要有以下几部分内容：1.简单介绍量子计算、量子点的一些基本概念。阐述了半导体栅极电控量子点探讨中,用量子点接触(QPC)作为测量通道的高灵敏测量的基本原理,以及随机电报信号(RTS)和电子电荷统计计数测量。最后介绍了电子弛豫时间T1测量的相关实验技术和基本物理概念。2.主要介绍制备半导体栅极电控量子点样品器件的微纳加工技术,详细介绍了各种精密加工仪器和样品加工的整个技术工艺和流程,简单介绍了一些极低温仪器和极低温量子输运的测量技术。3.量子点中的电子电荷和量子比特操作等信息,都需要利用量子点旁边作为灵敏测量通道的量子点接触(QPC)进行探测。在所有的实验测量中,都无法避开QPC通道对需要测量信息的反作用。由此,我们在实验上利用QPC通道的反作用来驱动量子点中的电子跳出量子点,通过测量随机电报信号(RTS),我们获得了一个与标准热平衡模型有较大偏离的电子电荷统计计数。反作用的强度可以通过转变量子点与QPC通道之间的耦合强度和QPC通道的源漏两端的直流偏压大小来调节。我们在标准模型的基础上进展了一种新的唯象论述模型来探讨我们所观察到的测量反作用,通过比较反作用所带来的电子跳出量子点的额外隧穿几率的大小,给出了QPC通道对量子点的反作用强度在定量上的描述。同时,我们发现上面陈述的两种调节反作用强度的方式对反作用强度和截止能量的贡献作用是不同的。4.实验上,我们发现,利用QPC通道的反作用可以驱动量子点中的电子在基态和激发态之间跃迁。根据实验所得的非热平衡下的电子电荷统计计数,利用我们在热平衡模型基础上改善的唯象论述模型,浅析出量子点中填充奇数电子时的额外隧穿几率和填充偶数个电子时的自旋单态和自旋三态之间的跃迁几率,给出了自旋单态与自旋三态之间的额外跃迁几率与反作用强度在定量上的依赖联系,同时给出了基于自旋三态和单态的量子比特操作的保真度。5.在样品上加入平行磁场,通过浅析电子电荷统计计数来探测量子点中填充单个电子时的电子自旋的塞曼劈裂,以及两个电子填充时,自旋三态能级简并解除以后,自旋单态与自旋三态之间的跃迁。以而完成了平行磁场条件下的电子自旋激发态谱测量。6.利用三步脉冲实验法,测量自旋三态和自旋单态之间的弛豫时间T1,当量子点中填充2,4,6个电子时,给出了自旋三态和自旋单态之间弛豫时间随量子点中填充电子数目的依赖联系,以及QPC通道的强测量反作用对自旋三态和自旋单态之间弛豫时间T1的影响。本论文的主要革新点有：1.首次利用作为测量通道的量子点接触(QPC)所带来的反作用来驱动量子点中电子在非热平衡状态下发生电子跃迁。通过测量随机电报信号(RTS),获得非热平衡下的电子电荷统计计数,进展了一种新的唯象模论述型来解释我们所观察到的实验现象。通过对实验数据的拟合,给出了QPC通道对量子点的反作用强度在定量上的描述。2.首次在实验上利用QPC通道所测量的随机电报信号(RTS)来获取量子点中1到6个电子填充时的电子能级精细结构,发现了强测量反作用可以驱动量子点中的电子在自旋单态和三态之间跃迁,利用唯象论述模型拟合,探讨了不同反作用强度大小对作为自旋量子比特基本单元的自旋单态和三态之间跃迁几率的影响在定量上的描述。3.在平行磁场下,利用实验测量的非热平衡下的电子电荷统计计数,来探测量子点中填充单个电子时的电子自旋塞曼劈裂,以及两个电子填充时的自旋单态与自旋三态之间的跃迁。首次在实验上发现,在较强的QPC通道的反作用下,电子以自旋单态更偏向于跃迁至自旋三态中的T+态。4.利用三步脉冲测量电子弛豫时间T1的策略,首次获取了量子点中填充电子数为2,4,6时,自旋三态和自旋单态之间的弛豫时间T1,随着量子点中填充电子数目的增加,自旋三态到自旋单态的弛豫时间T1迅速减小。同时,以实验上,探讨了自旋三态到自旋单态的弛豫时间T1对反作用强度的依赖联系。关键词：砷化镓量子点论文量子点接触论文量子输运论文自旋三态论文自旋单态论文反作用论文随机电报信号论文弛豫时间T_1论文
摘要5-8
ABSTRACT8-12
目录12-14
第1章 探讨背景14-44
1.1 量子计算介绍14-15
1.2 量子点介绍15-25
1.2.1 栅极电控量子点15-17
1.2.2 栅极电控量子点的库仑阻塞17-25
1.3 带有量子点接触的量子点结构25-35
1.3.1 量子点接触作为电荷探测器25-29
1.3.2 单电子隧穿的实时观测29-31
1.3.3 单电子隧穿的电子电荷统计计数31-35
1.4 电子弛豫时间的测量35-38
1.5 本章小结38-40