Valley Splitting Engineering in kernspinfreiem SiGe für Silizium-Qubits

• Antragsteller: Dr. Kevin-Peter Gradwohl; Dr. Lars Reiner Schreiber
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554676597

Festkörperbasiertes Quantencomputing mittels Einzelelektronenspin-Qubits in Silizium (Si) sind eine vielversprechende Technologie, da diese aufgrund ihrer kleinen Grundfläche potentiell die Integration von Millionen von Qubits auf einem einzigen Wafer erlaubt, wobei die hochentwickelten Fertigungstechniken der Siliziumindustrie genutzt werden können. Derartige Integration von Qubits wird jedoch durch noch nicht gelöste Materialprobleme eingeschränkt, insbesondere durch hohe Anforderung an kristalliner Qualität der SiGe-Quantenschichten, die Verwendung isotopenreiner Materialien und eine zuverlässige Vergrößerung des lokalen Leitungsband Valley Splittings auf der Längenskala eines Quantenchips. In diesem Vorhaben sollen diese Probleme durch das Wachstum von isotopenreinen, kernspinfreien 28Si76Ge-Materialstapeln mittels Molekularstrahlepitaxie, sowie durch anschließende State of the Art Herstellung und Charakterisierung von Spin-Qubits bewältigt werden. Wir untersuchen die Einbringung innovativer kernspinfreier Germanium (Ge)-Konzentrationsprofile in die 28Si-Quantentopf Heterostrukturen, welche einen neuen Freiheitsgrad und innovative Möglichkeiten zur Verbesserung des Valley Splittings auf deterministische und zuverlässige Weise bietet. Die optimierten Materialeigenschaften werden kontinuierlich auf einer lateralen Skala durch kohärentes Shuttling von Spin-Qubits im Conveyor-Mode überprüft, einem neuen funktionalen Element welches skalierbare Quantencomputerarchitekturen ermöglicht. Hier untersuchen wir drei grundlegend verschiedene Typen solcher Heterostruktur-Designs, um das lokale Valley Splitting zu erhöhen. Diese Typen umfassen konkret: erhöhte Quantentopfbarrieren durch einen erhöhten Ge-Gehalt an den Quantentopf-Grenzflächen, eine konstante, aber willkürliche Verteilung von Ge-Atomen innerhalb des Quantentopfs und oszillierende Ge-Konzentrationsprofile in der Quantentopf-Schicht mit Wellenlängen von 1,80 und 0,31 nm. Zentral hierbei ist die Kontrolle und Unterdrückung der Entmischung von Ge mit Si, was durch modernste Materialcharakterisierung grundlegend erforscht und kontrolliert werden soll, um optimale Heterostrukturen für Qubit-Anwendungen zu realisieren. Um die Anwendbarkeit der Heterostruktur-Designs für skalierbares Spin-Quantencomputing zu validieren, messen wir die Spindephasierungszeit der Elektronenspin-Qubits, den Elektronen-g-Faktor und kartieren die lokale potenzielle Unordnung und das Valley Splitting. Für die Kartierung der lokalen Materialparameter setzen wir ein Elektronenspin-Qubits als lokale Sonde ein, indem wir es im Conveyor-Mode an den Ort des Interesses shutteln. Unser Ziel ist es, das globale Minimum des Valley Splittings auf über 25 µeV zu erhöhen und gleichzeitig die Spin-Kohärenzzeit lang zu halten. Dies würde den Weg zu skalierbaren Quantencomputerarchitekturen auf Basis von Shuttling-Technologie in SiGe ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen