Logo Logo
Help
Contact
Switch language to German
Semiconductor-based electron lattices for quantum information processing
Semiconductor-based electron lattices for quantum information processing
Scalable physical systems that enable trapping and coherent manipulation of quantum matter lie at the heart of quantum information processing (QIP). Solid-state approaches benefit from rapidly evolving nanotechnology and provide a way towards efficient on-chip quantum devices. In this thesis we show how key ideas from quantum optics can inspire novel setups and implementations for QIP in solid-state settings. To this end, we develop strategies for the realization of well-defined lattices for electrons and other quasiparticles in semiconductors. The theoretical proposals presented in this thesis may serve as novel platforms for controlling and studying quantum many-body systems. In an introductory passage, we provide a brief summary of goals, recent advances and future directions in quantum information science, highlighting the significant progress that has been made in related fields during the past years. The core of the thesis consists of two parts, one dedicated to quantum systems interacting with elastic waves in solids, and another related to a novel class of two-dimensional semiconductors. In the first part, we theoretically investigate how surface acoustic waves (SAWs) may be used to create well-defined potentials for mobile electrons and other semiconductor quasiparticles. We develop an effective description of electrons coupled to SAW-driven time-dependent electromagnetic fields by modelling their dynamics within a Floquet framework. The underlying physical coupling mechanisms can be based on piezoelectric, piezomagnetic or strain fields, respectively, and we discuss the implications of each. We show that these systems bear striking similarities with atomic, molecular and optical implementations, such as trapped ions and cold neutral atoms in optical lattices. Specific to the solid-state environment are couplings to various sorts of impurities and bulk phonons, which possibly degrade the quality of SAW-based traps. We thus take into account these effects, and investigate the influence of thermal bulk phonons by deriving an effective description of the electronic motion based on quantum master equations. These results provide a recipe for a near-term realization of acoustic traps and lattices for semiconductor particles. The versatility of the presented theoretical approach allows a thorough examination of various materials, heterostructures and quasiparticles. Several case studies of suitable host materials are presented, and connections to possible future experimental work are established. With a projected lattice spacing on the scale of ∼ 100nm, acoustically defined electron lattices allow for relatively large energy scales in the realization of fermionic Hubbard models, and a parameter regime very different from the one typically obtained in other systems. The ultimate prospect of entering the low-temperature, strong-interaction regime may be crucial for a better understanding of high-temperature superconductivity. In the second part of this thesis, we focus on realization and detection of self-assembled electron lattices in transition-metal dichalcogenides (TMDs). TMDs have remarkable mechanical, optical and electronic properties and are ideally suited for the study of quantum Wigner crystals (WCs). WCs are prime candidates for the realization of regular electron lattices under minimal requirements on external control and electronics. However, several technical challenges have prevented their detailed experimental investigation and applications to date. Based on scattering theory, we theoretically analyze the optical response of TMD-based WCs. We show that TMDs allow for minimally invasive all-optical detection schemes of charge order inherent in WCs, and that optical selection rules of TMDs provide direct access to spin measurements via Faraday rotation. Experimental signatures of WCs are presented, and disorder-induced imperfections are considered. We highlight their potential as a platform for the quantum simulation of geometrically frustrated magnetism with adjustable and self-assembled lattice structures. Future research directions, that are related to the results presented here, are discussed at the end of the thesis., Kontrollierbare und skalierbare Quantensysteme bilden die Grundlage für Quanteninformationsverarbeitung. Festkörpersystemen kommt dabei eine besondere Rolle zu, da diese von industriell verfügbaren Nanofabrikationstechniken profitieren und somit einen möglichen Weg zur Bereitstellung von Chip-basierten Quantentechnologien bieten. In dieser Arbeit zeigen wir auf, wie Schlüsselkonzepte aus der Quantenoptik neuartige Implementierungen festkörperbasierter Quantensysteme ermöglichen können, die im Rahmen der Quanteninformationsverarbeitung relevant sind. Zu diesem Zweck entwickeln wir Strategien zur Realisierung wohldefinierter Fallen und Gitter zum Fangen von Elektronen und anderen Quasiteilchen in Halbleitern. Die theoretischen Ausarbeitungen in dieser Arbeit eröffnen Möglichkeiten für neue Plattformen zur Kontrolle und zum Studium von Quantenvielteilchensystemen. In der Einleitung stellen wir eine Übersicht der Ziele, jüngsten Fortschritte und Zukunftsvisionen im Bereich der Quanteninformationswissenschaften vor. Der Hauptteil dieser Arbeit besteht aus zwei Teilen. Zuerst widmen wir uns Quantensystemen, die in Festkörpern mit akustischen Wellen wechselwirken, und danach setzen wir uns mit einer neuartigen Klasse zweidimensionaler Halbleiter auseinander. Im ersten Teil untersuchen wir, wie akustische Oberflächenwellen wohldefinierte Potentiallandschaften für bewegliche Elektronen und andere Quasiteilchen in Halbleitern erzeugen können. Wir entwickeln eine effektive Beschreibung von Elektronen, die an akustisch getriebene, zeitabhängige elektromagnetische Felder koppeln. Hierfür modellieren wir die Dynamik der freien Ladungsträger im Rahmen eines Floquet-Formalismus. Die zu Grunde liegenden physikalischen Kopplungsmechanismen können piezoelektrischen oder piezomagnetischen Ursprungs sein oder von mechanischer Spannung herrühren. Wir zeigen, dass diese Systeme Ähnlichkeit mit atomaren, molekularen und optischen Quantensystemen haben, z. B. mit gefangenen Ionen und ultrakalten Atomen in optischen Gittern. Spezifisch für die festkörperbasierten Systeme sind Kopplungen der Elektronen an Störstellen und phononische Freiheitsgrade, welche die Funktionsweise von akustischen Fallen beeinträchtigen können. Daher berücksichtigen wir diese Effekte und untersuchen den Einfluss von thermischen Phononen auf die elektronische Bewegung auf Basis einer Quantenmastergleichung. Diese Resultate bilden die Basis für eine ausführliche Untersuchung verschiedener möglicher experimenteller Umsetzungen. Hierzu berücksichtigen wir diverse Materialien, Heterostukturen und Quasiteilchen. Verschiedene konkrete Fallbeispiele werden diskutiert. Da die Gitterkonstanten von akustischen Gittern im Bereich von ∼ 100nm liegen können, erlauben akustisch getriebene Elektronengitter die Verwirklichung relativ großer Energieskalen in fermionischen Hubbardmodellen, und damit das Erreichen von Parameterkonstellationen, die mit anderen Systemen typischerweise nicht realisiert werden können. Damit ermöglichen uns diese Systeme gleichzeitig starke Wechselwirkungen und tiefe Temperaturen, um zum Beispiel Neues über Hochtemperatursupraleiter zu erfahren. Im zweiten Teil beschäftigen wir uns mit der Realisierung und Detektion von selbstorganisierten Elektronengittern in zweidimensionalen Halbleitern. Die hier untersuchten Halbleiter haben beeindruckende mechanische, optische und elektronische Eigenschaften und eignen sich in besonderer Weise zur Untersuchung von Wignerkristallen. Wignerkristalle stellen Elektronengitter dar, die ohne hohe Anforderungen an externe Kontrollparameter auskommen. Allerdings haben sich diese bisher aufgrund einiger technischer Schwierigkeiten der detaillierten experimentellen Untersuchung entzogen. Aufbauend auf einer Streutheorie des Lichts untersuchen wir optische Eigenschaften von Wignerkristallen in zweidimensionalen Halbleitern. Insbesondere zeigen wir, dass diese Systeme minimalinvasive optische Detektion der Ladungsträgeranordnung in Wignerkristallen erlauben. Des Weiteren ermöglichen es die optischen Auswahlregeln dieser Halbleiter, anhand des gestreuten Lichts auch Informationen über den Spinfreiheitsgrad der Elektronen zu gewinnen. Experimentell beobachtbare Signale werden vorgestellt und Imperfektionen der Elektronengitter werden untersucht. Wir zeigen, dass sich diese Systeme auch für die Quantensimulation von frustriertem Magnetismus eignen. Künftige Forschungsfragen, die im Zusammenhang mit dieser Arbeit stehen, werden im abschließenden Kapitel diskutiert.
quantum, information, semiconductor, optics
Knörzer, Johannes
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Knörzer, Johannes (2020): Semiconductor-based electron lattices for quantum information processing. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
[img]
Preview
PDF
Knoerzer_Johannes.pdf

3MB

Abstract

Scalable physical systems that enable trapping and coherent manipulation of quantum matter lie at the heart of quantum information processing (QIP). Solid-state approaches benefit from rapidly evolving nanotechnology and provide a way towards efficient on-chip quantum devices. In this thesis we show how key ideas from quantum optics can inspire novel setups and implementations for QIP in solid-state settings. To this end, we develop strategies for the realization of well-defined lattices for electrons and other quasiparticles in semiconductors. The theoretical proposals presented in this thesis may serve as novel platforms for controlling and studying quantum many-body systems. In an introductory passage, we provide a brief summary of goals, recent advances and future directions in quantum information science, highlighting the significant progress that has been made in related fields during the past years. The core of the thesis consists of two parts, one dedicated to quantum systems interacting with elastic waves in solids, and another related to a novel class of two-dimensional semiconductors. In the first part, we theoretically investigate how surface acoustic waves (SAWs) may be used to create well-defined potentials for mobile electrons and other semiconductor quasiparticles. We develop an effective description of electrons coupled to SAW-driven time-dependent electromagnetic fields by modelling their dynamics within a Floquet framework. The underlying physical coupling mechanisms can be based on piezoelectric, piezomagnetic or strain fields, respectively, and we discuss the implications of each. We show that these systems bear striking similarities with atomic, molecular and optical implementations, such as trapped ions and cold neutral atoms in optical lattices. Specific to the solid-state environment are couplings to various sorts of impurities and bulk phonons, which possibly degrade the quality of SAW-based traps. We thus take into account these effects, and investigate the influence of thermal bulk phonons by deriving an effective description of the electronic motion based on quantum master equations. These results provide a recipe for a near-term realization of acoustic traps and lattices for semiconductor particles. The versatility of the presented theoretical approach allows a thorough examination of various materials, heterostructures and quasiparticles. Several case studies of suitable host materials are presented, and connections to possible future experimental work are established. With a projected lattice spacing on the scale of ∼ 100nm, acoustically defined electron lattices allow for relatively large energy scales in the realization of fermionic Hubbard models, and a parameter regime very different from the one typically obtained in other systems. The ultimate prospect of entering the low-temperature, strong-interaction regime may be crucial for a better understanding of high-temperature superconductivity. In the second part of this thesis, we focus on realization and detection of self-assembled electron lattices in transition-metal dichalcogenides (TMDs). TMDs have remarkable mechanical, optical and electronic properties and are ideally suited for the study of quantum Wigner crystals (WCs). WCs are prime candidates for the realization of regular electron lattices under minimal requirements on external control and electronics. However, several technical challenges have prevented their detailed experimental investigation and applications to date. Based on scattering theory, we theoretically analyze the optical response of TMD-based WCs. We show that TMDs allow for minimally invasive all-optical detection schemes of charge order inherent in WCs, and that optical selection rules of TMDs provide direct access to spin measurements via Faraday rotation. Experimental signatures of WCs are presented, and disorder-induced imperfections are considered. We highlight their potential as a platform for the quantum simulation of geometrically frustrated magnetism with adjustable and self-assembled lattice structures. Future research directions, that are related to the results presented here, are discussed at the end of the thesis.

Abstract

Kontrollierbare und skalierbare Quantensysteme bilden die Grundlage für Quanteninformationsverarbeitung. Festkörpersystemen kommt dabei eine besondere Rolle zu, da diese von industriell verfügbaren Nanofabrikationstechniken profitieren und somit einen möglichen Weg zur Bereitstellung von Chip-basierten Quantentechnologien bieten. In dieser Arbeit zeigen wir auf, wie Schlüsselkonzepte aus der Quantenoptik neuartige Implementierungen festkörperbasierter Quantensysteme ermöglichen können, die im Rahmen der Quanteninformationsverarbeitung relevant sind. Zu diesem Zweck entwickeln wir Strategien zur Realisierung wohldefinierter Fallen und Gitter zum Fangen von Elektronen und anderen Quasiteilchen in Halbleitern. Die theoretischen Ausarbeitungen in dieser Arbeit eröffnen Möglichkeiten für neue Plattformen zur Kontrolle und zum Studium von Quantenvielteilchensystemen. In der Einleitung stellen wir eine Übersicht der Ziele, jüngsten Fortschritte und Zukunftsvisionen im Bereich der Quanteninformationswissenschaften vor. Der Hauptteil dieser Arbeit besteht aus zwei Teilen. Zuerst widmen wir uns Quantensystemen, die in Festkörpern mit akustischen Wellen wechselwirken, und danach setzen wir uns mit einer neuartigen Klasse zweidimensionaler Halbleiter auseinander. Im ersten Teil untersuchen wir, wie akustische Oberflächenwellen wohldefinierte Potentiallandschaften für bewegliche Elektronen und andere Quasiteilchen in Halbleitern erzeugen können. Wir entwickeln eine effektive Beschreibung von Elektronen, die an akustisch getriebene, zeitabhängige elektromagnetische Felder koppeln. Hierfür modellieren wir die Dynamik der freien Ladungsträger im Rahmen eines Floquet-Formalismus. Die zu Grunde liegenden physikalischen Kopplungsmechanismen können piezoelektrischen oder piezomagnetischen Ursprungs sein oder von mechanischer Spannung herrühren. Wir zeigen, dass diese Systeme Ähnlichkeit mit atomaren, molekularen und optischen Quantensystemen haben, z. B. mit gefangenen Ionen und ultrakalten Atomen in optischen Gittern. Spezifisch für die festkörperbasierten Systeme sind Kopplungen der Elektronen an Störstellen und phononische Freiheitsgrade, welche die Funktionsweise von akustischen Fallen beeinträchtigen können. Daher berücksichtigen wir diese Effekte und untersuchen den Einfluss von thermischen Phononen auf die elektronische Bewegung auf Basis einer Quantenmastergleichung. Diese Resultate bilden die Basis für eine ausführliche Untersuchung verschiedener möglicher experimenteller Umsetzungen. Hierzu berücksichtigen wir diverse Materialien, Heterostukturen und Quasiteilchen. Verschiedene konkrete Fallbeispiele werden diskutiert. Da die Gitterkonstanten von akustischen Gittern im Bereich von ∼ 100nm liegen können, erlauben akustisch getriebene Elektronengitter die Verwirklichung relativ großer Energieskalen in fermionischen Hubbardmodellen, und damit das Erreichen von Parameterkonstellationen, die mit anderen Systemen typischerweise nicht realisiert werden können. Damit ermöglichen uns diese Systeme gleichzeitig starke Wechselwirkungen und tiefe Temperaturen, um zum Beispiel Neues über Hochtemperatursupraleiter zu erfahren. Im zweiten Teil beschäftigen wir uns mit der Realisierung und Detektion von selbstorganisierten Elektronengittern in zweidimensionalen Halbleitern. Die hier untersuchten Halbleiter haben beeindruckende mechanische, optische und elektronische Eigenschaften und eignen sich in besonderer Weise zur Untersuchung von Wignerkristallen. Wignerkristalle stellen Elektronengitter dar, die ohne hohe Anforderungen an externe Kontrollparameter auskommen. Allerdings haben sich diese bisher aufgrund einiger technischer Schwierigkeiten der detaillierten experimentellen Untersuchung entzogen. Aufbauend auf einer Streutheorie des Lichts untersuchen wir optische Eigenschaften von Wignerkristallen in zweidimensionalen Halbleitern. Insbesondere zeigen wir, dass diese Systeme minimalinvasive optische Detektion der Ladungsträgeranordnung in Wignerkristallen erlauben. Des Weiteren ermöglichen es die optischen Auswahlregeln dieser Halbleiter, anhand des gestreuten Lichts auch Informationen über den Spinfreiheitsgrad der Elektronen zu gewinnen. Experimentell beobachtbare Signale werden vorgestellt und Imperfektionen der Elektronengitter werden untersucht. Wir zeigen, dass sich diese Systeme auch für die Quantensimulation von frustriertem Magnetismus eignen. Künftige Forschungsfragen, die im Zusammenhang mit dieser Arbeit stehen, werden im abschließenden Kapitel diskutiert.