Double quantum dots in Germanium hut nanowires : Fabrication and characterization

Abstract

Seit den ersten theoretischen Arbeiten über Quantenrechner haben Wissenschaftler verschiedene Systeme für die Implementierung eines solchen Quantenprozessors in Angriff genommen. Eine davon besteht darin einzelne Elektronen in einem Quantenpunkt einzufangen. In den letzten Jahren wurden auch Spin Zustände von Löchern als vielversprechende Kandidaten für Qubits vorgeschlagen da sie eine starke Spin-Bahn Kopplung besitzen welche wiederum eine komplett elektrische Manipulation des Spins ermöglicht. In 2018 wurde das erste Germanium Loch-Spin Qubit in einem Doppelquanten Punkt in einem hut wire gezeigt. Eine Rekordmanipulationsfrequenz von 140 MHz wurde hierbei demonstriert. Nichtsdestotrotz erwies sich die Reproduzierbarkeit und Stabilität der Doppelpunkte in diesem Material als äußerst schwierig. In der vorliegende Arbeit, verschiedene Fabrikationsrezepte wurden zur Optimierung dieser Eigenschaften getestet. Mit vier verschiedenen Proben, die Charakterisierung is gemacht und eine deutliche Verbesserung des Elektrischen Rauschens und der Stimmbarkeit wird gezeigt. Die präsentierten Resultate ermöglichen weitere und komplexere Forschung zu spin qubits in diesem Materialsystem.

Since the first theoretical work on quantum computation scientists have considered various systems for the implementation of a large scale qubit system. One of them are electron spins confined in a quantum dots. In the past few years, spin state of holes were also suggested as promising qubits, because of their strong spin-orbit coupling which allows fast all-electrical spin manipulation. In 2018 the first germanium hole spin qubit was demonstrated in a double quantum dot device made out of a hut wire and it showed record manipulation times of 140 MHz. However, obtaining reproducible and stable double quantum dots in this material system proved to be a difficult task. In the presented work, various fabrication recipes have been developed and tested for achieving this goal. Using four different samples, devices are characterised and a significant improvement in terms of a charge-noise and tunability is reported. The presented results enable further and more complex spin qubit research in this material system.