Electric-dipole spin resonance in graphene quantum dots

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Stampfer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 360826113

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts wurden Graphen-Quantenpunkte und ihre Eignung für zukünftige Spin-Qubits untersucht. Insbesondere wurden in diesem Projekt zum ersten Mal die Spin-Lebensdauern einzelner Elektronen in zweilagigem Graphen gemessen und detailliert untersucht. Eine untere Grenze von 200 Mikrosekunden wurde für eine Zeeman-Aufspaltung von etwa 0,3 meV gefunden. Dieses Ergebnis, zusammen mit einer Reihe von erzielten technologischen Fortschritten, wie die schnelle Gatter-Manipulation oder das "Dispersive Charge Read-Out", geben berechtigte Hoffnung, dass Graphen-Quantenpunkte tatsächlich ideal für Spin- Qubits geeignet sind. Im Rahmen des Projekts konnten wir die Herstellungstechnologien und die Abstimmbarkeit, insbesondere die Kontrolle über die Ladungsträger-Besetzung von Graphen-Quantenpunkten, erheblich verbessern, so dass es jetzt möglich ist, einzelne Elektronen und Löcher in Einzel- und Doppel-Quantenpunkten kontrolliert zu isolieren und zu manipulieren. Darüber hinaus ist es uns gelungen, die Spin-Orbit-Wechselwirkung in Graphen-Quantenpunkten zu messen und als Funktion des elektrischen Verschiebungsfeldes zu untersuchen. Außerdem konnten wir das Einteilchen- Elektronen- und -Loch-Spektrum – bestehend aus 4 Zuständen (2 x Spin und 2 x Valley) – sowie das Zwei- Teilchen-Spektrum – bestehend aus 16 = 4 × 4 Zuständen (6 orbital-symmetrische und 10 orbital-antisymmetrische Zustände) – im Detail verstehen. Im Rahmen des Projekts konnten wir auch unsere Messtechnik stark verbessern, so dass eine schnelle Gatter-Steuerung und so genannte "Pulsed-Gate"-Spektroskopiemessungen möglich wurden. Dieser Fortschritt war entscheidend für die erfolgreichen Spinrelaxationsmessungen. Zusammenfassend wurden in diesem Projekt sowohl wichtige Entwicklungsschritte als auch wichtige wissenschaftliche Ergebnisse erzielt, die die konkrete Realisierung von Spin- und Valley-Qubits in Graphen planbar machen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Electron–Hole Crossover in Gate-Controlled Bilayer Graphene Quantum Dots. Nano Letters, 20(10), 7709-7715.
  Banszerus, L.; Rothstein, A.; Fabian, T.; Möller, S.; Icking, E.; Trellenkamp, S.; Lentz, F.; Neumaier, D.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Libisch, F.; Volk, C. & Stampfer, C.
  
• Single-Electron Double Quantum Dots in Bilayer Graphene. Nano Letters, 20(3), 2005-2011.
  Banszerus, Luca; Möller, Samuel; Icking, Eike; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Volk, Christian & Stampfer, Christoph
  
• Dispersive sensing of charge states in a bilayer graphene quantum dot. Applied Physics Letters, 118(9).
  Banszerus, L.; Möller, S.; Icking, E.; Steiner, C.; Neumaier, D.; Otto, M.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Volk, C. & Stampfer, C.
  
• Probing Two-Electron Multiplets in Bilayer Graphene Quantum Dots. Physical Review Letters, 127(25).
  Möller, S.; Banszerus, L.; Knothe, A.; Steiner, C.; Icking, E.; Trellenkamp, S.; Lentz, F.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Glazman, L. I.; Fal’ko, V. I.; Volk, C. & Stampfer, C.
  
• Pulsed-gate spectroscopy of single-electron spin states in bilayer graphene quantum dots. Physical Review B, 103(8).
  Banszerus, L.; Hecker, K.; Icking, E.; Trellenkamp, S.; Lentz, F.; Neumaier, D.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Volk, C. & Stampfer, C.
  
• Spin-valley coupling in single-electron bilayer graphene quantum dots. Nature Communications, 12(1).
  Banszerus, L.; Möller, S.; Steiner, C.; Icking, E.; Trellenkamp, S.; Lentz, F.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Volk, C. & Stampfer, C.
  
• Spin relaxation in a single-electron graphene quantum dot. Nature Communications, 13(1).
  Banszerus, L.; Hecker, K.; Möller, S.; Icking, E.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Volk, C. & Stampfer, C.
  
• Transport Spectroscopy of Ultraclean Tunable Band Gaps in Bilayer Graphene. Advanced Electronic Materials, 8(11).
  Icking, Eike; Banszerus, Luca; Wörtche, Frederike; Volmer, Frank; Schmidt, Philipp; Steiner, Corinne; Engels, Stephan; Hesselmann, Jonas; Goldsche, Matthias; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Volk, Christian; Beschoten, Bernd & Stampfer, Christoph