Kontrolle der Elektron-Phonon Wechselwirkung in Nano-Schaltkreisen - Regime der starken Kopplung
Theoretische Physik der kondensierten Materie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Phononen sind die fundamentalen Schwingungsmoden der Festkörper. Im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung haben sie zur Zeit noch einen schlechten Ruf, da ein unkontrolliertes (thermisches) Phononenbad eine Quelle der Dekohärenz darstellt. Bisher beschränken sich phononische Anwendungen entweder auf klassische akustische Oberflächenwellen (hoch angeregte Schwingungsmoden) oder auf nanomechanische Resonatoren mit gut isolierten nicht-thermischen mechanischen Moden. Tatsache ist jedoch, dass nicht-thermische akustische Phononen selbst kohärente Quantenzustände sein können, die für Anwendungen in der Quantentechnologie genutzt werden könnten. In dem Projekt, über das wir hier berichten, erforschen wir akustische Oberflächenphononen- Resonatoren, um den Weg für die kohärente Kopplung weit entfernter Quantenbits (Qubits) zu ebnen. Im Vergleich zu phononischen Resonatoren sind photonische Resonatoren (wir schließen hier Mikrowellenresonatoren ein) für die Kopplung weit entfernter Qubits bereits viel mehr untersucht worden. Wie Photonen haben auch niederenergetische akustische Phononen eine lineare Dispersionsbeziehung, ω = 2πv/λ, aber die Schallgeschwindigkeit v ist um Größenordnungen kleiner als die des Lichts. Daher hat ein akustisches Phonon mit gegebener Energie, ω, eine viel kürzere Wellenlänge, λ, als ein Photon. Dies ermöglicht ein neues Regime der Wechselwirkung mit einem Qubit: Ein Phonon und ein nanoskaliges Festkörper-Qubit können gleichzeitig in Resonanz sein, während die Wellenlänge des Phonons an die Größe der Nanostruktur angepasst ist. Im Ergebnis kann die Kopplung zwischen einem Qubit und einer Phononmode so maximiert werden, während das Überlappintegral von der Phasendifferenz zwischen den Wellenfunktionen von Qubit und Phonon abhängt. Diese Kombination von Eigenschaften erweitert die Flexibilität in der Steuerung der Qubits im Vergleich zu den Möglichkeiten mit Photonen. Die Kontrolle von akustischen Phononen erweist sich als komplizierter als die von Photonen: Aufgrund der Kristallsymmetrien sind die Schallgeschwindigkeit und die Elektron- Phonon-Kopplung anisotrop und werden durch mehrstufige Tensoren beschrieben. Darüber hinaus kann die intrinsische Kopplung mit freien Ladungsträgern die Kkohärenz der Phononen vermindern. Bevor ein kohärenter Qubit-Phonon-Hybridzustand für Anwendungen der Quantentechnologie genutzt werden kann, müssen daher sowohl die Elektron-Phonon-Wechselwirkung als auch das Phononenspektrum selbst verstanden sein und optimiert werden. So sollte beispielsweise die Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern und Phononen abseits des Qubits minimal sein, während sie am Qubit maximal ist. In diesem Projekt haben wir eine Reihe von Methoden verwendet, darunter Transmissionsspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Röntgenmikroskopie, um phononische Resonatoren zu charakterisieren und zu optimieren. Erste Messungen der Transportspektroskopie an einem Doppelquantenpunkt, der in einen phononischen Resonator eingebettet ist, scheiterten bisher an Problemen der Nanolithographie. Die bisher in diesem Projekt erzielten Ergebnisse belegen die generelle Eignung von phononischen Resonatoren für die Kopplung von Festkörper-Qubits.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Acoustic Field for the Control of Electronic Excitations in Semiconductor Nanostructures. 2018 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 1-4. IEEE.
Santos, Paulo V.; Msall, Madeleine & Ludwig, Stefan
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Focusing Surface-Acoustic-Wave Microcavities on GaAs. Physical Review Applied, 13(1).
Msall, Madeleine E. & Santos, Paulo V.
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Determining Amplitudes of Standing Surface Acoustic Waves via Atomic Force Microscopy. Physical Review Applied, 17(4).
Hellemann, Jan; Müller, Filipp; Msall, Madeleine; Santos, Paulo V. & Ludwig, Stefan
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Scanning X-Ray Diffraction Microscopy of a 6-GHz Surface Acoustic Wave. Physical Review Applied, 19(2).
Hanke, M.; Ashurbekov, N.; Zatterin, E.; Msall, M.E.; Hellemann, J.; Santos, P.V.; Schulli, T.U. & Ludwig, S.
