Graphenquantenpunkte mit magnetisch induziertem Einschlusspotenzial

Abstract

Graphen-Quantenpunkte haben sich zuletzt enorm entwickelt, sodass sie als vielversprechende Kandidaten für Spin-, Valley- oder Kramers-Qubits in Festkörpern gelten [1]. Dabei nutzt man Doppellagen von Graphen mit einstellbarer Bandlücke [2]. Teilweise wurden erstaunliche Relaxationszeiten der binären Kramers-Quantenzustände im Quantenpunkt von bis zu ~40 Sekunden erreicht [3]. Erste Kohärenzeigenschaften von solchen Freiheitsgraden innerhalb eines Quantenpunkts wurden ebenfalls demonstriert [4]. Die Ausgangssituation hat sich im Vergleich zu 2018, als dieses Projekt bewilligt wurde, also deutlich verändert. Damals schlugen wir aufbauend auf erfolgreichen Messungen mit einem spitzeninduzierten Quan-tenpunkt in einschichtigem Graphen [5,6] vor, den demonstrierten magnetischen Einschluss von Elektronen mit präziser Kontrolle über Spin- und Valley-Freiheitsgrade zu einer skalierbaren Plattform weiterzuentwickeln – allerdings zunächst unter Einbeziehung des spitzeninduzierten Quantenpunkts aufgrund der möglichen, lateralen Steuerbarkeit. Im Verlauf des Projekts erzielten wir erhebliche Fortschritte bei der Präparation geeigneter Proben durch Stapelungsverfahren, die für die Rastertunnelspektroskopie optimiert wurden, sowie bei der Maskentechnologie zur Kontaktpräparation. Die Optimierung der magnetisch eingeschlossenen Quantenpunkte im Hinblick auf Qubits haben wir jedoch nicht intensiviert, da diese im Vergleich zu den inzwischen etablierten Doppellagen-Graphen-Quantenpunkten aufgrund des notwendigen hohen Magnetfelds nicht mehr konkurrenzfähig sind. Stattdessen nutzten wir das gewonnene Wissen, um verfeinerte Strategien zu entwickeln, mit denen sich der spitzeninduzierte Quantenpunkt vermeiden lässt, um so eine ungestörte Abbildung subtiler Zustandsdichte-Merkmale im Magnetfeld zu ermöglichen – etwa von Randzuständen im Quanten-Hall-Regime [P1, P2]. Darüber hinaus nutzten wir die entwickelte Präparationstechnologie zur Herstellung hochwertiger Quantenpunkt-Arrays in Halbleiter-Nanodrähten, mit dem Ziel, diese für eine neuartige Rastersondenmethode mit Einzelelektronennachweis einzusetzen. Quantum dots in graphene have recently been developed to a level of control such that they are a possible contender for spin, valley or Kramers qubits in solids [1]. This employs bilayer graphene with a tunable band gap [2]. Partially, amazing relaxation times of the binary quantum degree of freedom up to ~40 s [3] are achieved. Moreover, first coherence properties within such quantum dots have been probed [4]. The situation was quite different when this project was granted in 2018. Based on successful measurements using the tip induced quantum dot in monolayer graphene [5,6], we proposed to develop the demonstrated magnetic confinement of electrons enabling precise control of spin and valley degrees of freedom towards a scalable platform, but initially including the tip induced quantum dot by employing its lateral control. During the course of the project, we made significant progress in preparation of adequate samples by stacking methods optimized for scanning tunneling spectroscopy and mask technology for in-situ preparation of contacts, but refrained from optimizing the magnetically confined quantum dots, since not being competitive anymore with the meanwhile established bilayer graphene quantum dots due to the required high magnetic fields. Instead, we have used the gained knowledge for refined strategies to avoid the tip-induced quantum dot. This enables unperturbed imaging of subtle density of states features in magnetic field such as the edge states in the quantum Hall regime [P1, P2]. Moreover, we used the preparation technology to prepare high-level quantum dot arrays in semiconductor nanowires targeting its use for a novel type of scanning probe method with single-electron detection capability [P3].