用于Ge掘距自旋量子比特集成的Ge$_{1-x}$Si$_{x}$单晶

自旋量子比特是现代量子计算设备的基本构件。与基于硅的电子自旋系统相比，基于Ge的空穴自旋量子比特路径具有多个优势，包括缺乏谷波动能简并性、由于自旋轨道耦合较大可实现高效场控制，以及有效质量较小。对于可能的Ge量子比特器件而言，Ge/GeSi平面异质结构在规模化和制造方面已被证明是有利的。GeSi缓冲应变层的硅浓度作为Ge/GeSi量子比特电子结构的重要调谐参数。Ge$_{0.85}$Si$_{0.15}$晶体的较低硅浓度x=0.15应可实现最小晶格应变，这在随机合金中难以稳定。我们进行了基于同步辐射的研究，探讨了Ge$_{0.85}$Si$_{0.15}$单晶的化学组成、价带电子结构和局部原子结构，采用了硬X射线光电子能谱（HAXPES）、硬X射线动量显微镜（HarMoMic）和X射线光电子衍射（XPD）等先进技术。我们发现Ge$_{0.85}$Si$_{0.15}$晶体具有单个、均匀的价带结构，无相分离迹象。价带的形状类似于纯Ge，低有效质量亦如此。XPD实验和布洛赫波计算表明，硅原子位于晶体中的Ge晶格位点上，形成随机合金。这种Ge$_{0.85}$Si$_{0.15}$单晶substrate的高化学、电子和结构质量对于实现Ge基空穴自旋量子比特中较长的自旋寿命至关重要。结果强调了结合X射线光谱显微镜技术的优势，这些技术为量子技术的量子比特构件提供了关键见解。