Entwicklung von Spin-Qubit Bauelementen aus ZnSe/(Zn,Mg)Se Quantenstrukturen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Alexander Pawlis; Dr. Lars Reiner Schreiber
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 337456818

Das Hauptziel dieses Forschungsprojekts ist die Implementierung und Optimierung von elektrostatisch definierten Quantenpunkten (EDQD) in (Zn,Mg)Se/ZnSe-Quantenstrukturen für die Anwendung als elektrisch kontrollierbare Spin-Qubits. Grundlage solcher Bauelemente sind Feldeffekttransistoren (FET) mit einem hochbeweglichen 2-dimensionalen Elektronengas (2DEG), das im ZnSe-Quantentrog lokalisiert ist. Prototypen dieser FETs wurden kürzlich realisiert, zeigten aber Ladungsinstabilitäten und eine reduzierte Mobilität, die hauptsächlich durch die derzeitige Bauelemente-Architektur mit einer n-Dotierung des (Zn,Mg)Se unterhalb der Gate-Region verursacht wird. An diesem Punkt setzen wir an und überarbeiten die FET-Bauelementarchitektur, um diese Dotierung überflüssig zu machen. Dazu wird ein neuartiger Schattenmasken-Ansatz etabliert, um die ohmschen Kontakte von der Gate-Region des FETs räumlich zu entkoppeln, so dass beide unabhängig voneinander optimiert werden können. Darüber hinaus planen wir, die Heterostruktur entsprechend anzupassen, so dass bei kryogenen Temperaturen der Ladungszustand des ZnSe-Quantentopfs entweder über ein globales Top- oder Back-Gate gesteuert werden kann. Mit dieser Technik werden dann EDQDs hergestellt und ihre allgemeinen Eigenschaften analysiert. Basierend auf den Ergebnissen wird das Bauelement optimiert, um Ladungsschwankungen im System zu minimieren. Dann werden wir zum ersten Mal Spin-Qubits in EDQDs aus (Zn,Mg)Se/ZnSe Quantenstrukturen realisieren und das Auslesen sowie die Manipulation der Qubit-Zustände demonstrieren. Insbesondere untersuchen wir dabei die Spin-Orbit-Wechselwirkung im Material und quantifizieren die Spin-Relaxationszeit sowie die Dephasierungszeit der Qubits. Auf diese Weise charakterisieren wir den Einfluss des Kernspin-Hintergrunds in der Quantenstruktur, welcher z.B. in III/V-basierten EDQDs die Kohärenz und Fehlertoleranz der Qubits limitiert. In der letzten Phase des Projekts wird die EDQD-Prozessierung auf kernspinfreies isotopenreines 64-Zn80-Se und (64-Zn,24-Mg)80-Se übertragen, um die Kohärenzzeiten weiter zu verlängern. Diese Ergebnisse sind entscheidend, um das Potenzial von EDQDs auf der Basis von II/VI-Halbleitern als alternative und besonders vielseitige Qubit-Plattform im Vergleich zu anderen derzeit verfügbaren Systemen abzuschätzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen