原子级组分细节及其对同位素纯化硅锗量子阱中自旋量子比特的重要性

理解晶体在原子尺度的特征日益成为创建具有可重复和均匀特性的量子比特固态平台的关键。本文利用原子探针层析成像（APT）和飞行时间二次离子质谱分析了SiGe/$^{28}$Si/SiGe异质结构中的同位素组分深度分布。在该量子阱（QW）异质结构中，单自旋量子比特的自旋回波退相时间$T_2^{echo}=128 \mu s$和谷能分裂约$200 \mu eV$已被观测到，表明通过超精细相互作用或谷间散射抑制了量子比特退相干。$^{28}$Si量子阱中携带核自旋的$^{29}$Si浓度为50 ppm。APT揭示，量子阱的顶部SiGe/$^{28}$Si界面和底部$^{28}$Si/SiGe界面均受到几个单层尺度上的外延生长前沿偏析特征的影响。随后的热处理使顶部界面展宽约两个单层，而底部界面宽度保持不变。利用包含SiGe合金无序的紧束缚模型，这些实验结果表明，轻微热展宽的顶部界面与量子阱中由偏析产生的最小Ge浓度0.3%的组合，有助于观测到的大谷分裂。最小Ge添加量<1%（在薄量子阱中更可能出现）将支持高谷分裂而不损害相干时间。同时，在器件加工过程中考虑热处理以及晶体生长特征的出现，对于设计可重复的量子比特特性似乎很重要。