利用多模态显微镜重建 Si/SiGe 界面原子无序并推断其对量子比特变异性的影响

SiGe 异质外延生长为量子点量子比特提供了优质宿主材料，但残余界面无序会导致量子比特间变异性，可能阻碍可靠的基于 SiGe 的量子计算。我们展示了一种通过结合两种可验证原子分辨率显微镜技术的数据，重建跨越多量子比特区域的 3D 界面原子结构的技术。利用扫描隧道显微镜（STM）追踪分子束外延（MBE）生长，我们逐层沉积异质结构后成像表面原子结构，揭示纳米级 SiGe 起伏、无序应变硅原子台阶以及界面间非共形不相关粗糙度。由于后续过度生长中的原子混合等现象不可避免地改变界面，我们通过横截面高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）测量生长后结构。纳米级粗糙度等特征保持完好，但原子台阶结构在界面处 $1.0\pm 0.4$~nm 宽的混合区中不可辨。将 STM 与 HAADF-STEM 数据卷积得到捕获界面粗糙度和混合的 3D 结构。我们利用这些结构在原子级多谷有效质量理论中量化量子比特谱变异性。结果表明（1）由于合金无序，谷分裂（VS）变异性约为 $\pm$ $50\%$；（2）取决于势阱厚度的粗糙度诱导双点失谐偏置能量变异性为 $1-10$ meV 量级。对于所测混合，原子台阶对 VS 影响可忽略，不相关粗糙度引起双点失谐中的空间波动能量偏置，可能被误归为电荷无序。