Publikation: Spin coherence in carbon-based nanodevices
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Zusammenfassung
The scope of this thesis is the coherence of spins in carbon-based nanodevices. The motivation for this study are the promising spin-related properties of carbon-based materials, such as weak spin-orbit and hyperfine interaction, which are advantageous for achieving long spin coherence times. In addition, carbon based materials such as graphene and carbon nanotubes have a low mass density and high stiffness which make them well-suited for building nanomechanical devices.
This thesis consists of three parts. The first part is an introduction to spin-based quantum computing. We give an overview of the prerequisites for quantum computing in general and discuss basic concepts of spin quantum dots, both in conventional semiconductors and in carbon-based devices.
In the second part we study stationary quantum dots made of graphene. In particular we investigate a gate tunable single-layer graphene quantum dot. We calculate the spin-relaxation time T1 of an electron confined to the quantum dot. We find a behavior markedly different from the known results from quantum dots in conventional semiconductors such as GaAs. The presence of two independent K-valleys in graphene results in an effective breaking of time-reversal symmetry of the electronic states in the quantum dot. This leads to an absence of the so-called Van Vleck cancellation even for a vanishing magnetic field. As a result the spin-relaxation time depends only weakly on the magnetic field for low field strengths. At higher fields a cross over to 1/T1 ∝ B2 and 1/T1 ∝ B4 is predicted. A novel direct spin-phonon coupling involving the out-of-plane phonons in graphene is found to be an important contribution to the spin-relaxation.
We also study the coupling of non-neighboring quantum dots in an array of dots in a graphene nanoribbon. The electronic states in the conduction band are coupled indirectly via tunneling to a common continuum of delocalized states in the valence band. We model the system with a two-impurity Anderson Hamiltonian which is transformed into an effective spin Hamiltonian with the help of a two-stage Schrieffer-Wolff transformation. The result is compared to that from a calculation using a Coqblin-Schrieffer approach as well as to fourth-order perturbation theory. We discuss the ranges of validity of the different models and derive an expression for the long-distance coupling for the case of an array of quantum dots in a graphene nanoribbon.
The second part of this thesis delves into the study of nanomechanics. We study the coupling of an electron spin to vibrational motion due to spin-orbit coupling in suspended carbon nanotube quantum dots. First we show that with current capabilities, a quantum dot with an odd number of electrons can serve as a realization of the Jaynes-Cummings model known from cavity quantum electrodynamics. Using realistic experimental parameters we argue that the strong-coupling regime can be reached. In the proposed setup, a quantized flexural mode of the suspended tube plays the role of the optical mode in cavity quantum electrodynamics and we identify two distinct two-level subspaces, at small and large magnetic field, which can be used as qubits in this setup. Using the quantum master equation we show how the coupling of spin and mechanical motion is imprinted in the amplitude of the stationary state of the nanotube.
Furthermore we demonstrate how the spin of the electron in system described above can be read out by a charge sensing device in the vicinity of the charged nanotube. We calculate the response of the system to pulsed external driving of the mechanical motion using a Jaynes-Cummings model. We show how the spin can be read-out by measuring the current through the charge sensing device.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Thema dieser Arbeit ist die Kohärenz von Elektronenspins in kohlenstoffbasierten Systemen auf der Nanometerskala. Die Motivation für diese Arbeit sind die vielversprechenden spin-bezogenen Eigenschaften kohlenstoffbasierter Materialien, wie zum Beispiel die schwache Spin-Bahn- und Hyperfeinwechselwirkung. Diese deuten darauf hin, dass lange Spinkohärenzzeiten erreichbar sind. Außerdem verfügen Materialien aus Kohlenstoff, wie beispielsweise Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen, über geringe Massendichten bei gleichzeitig hoher Steifigkeit. Damit sind sie sehr gut für den Bau von nanomechanischen Resonatoren geeignet.
Diese Arbeit besteht aus drei Teilen. Der erste Teil geben wir eine Einführung in das Quantenrechen mit Spins. Wir geben einen Überblick über die notwendigen Voraussetzungen für das Quantenrechen im Allgemeinen und wir diskutieren die grundlegenden Konzepte von Spin-Quantenpunkten sowohl in herkömmlichen Halbleitern, als auch in kohlenstoffbasierten Materialien.
Im zweiten Teil betrachten wir ortsfeste Quantenpunkte aus Graphen. Insbesondere befassen wir uns mit solchen Quantenpunkten aus einlagigem Graphen, die sich mit Hilfe von elektrostatischen Gates durchstimmen lassen. Für einen solchen berechnen wir die Spinrelaxationszeit T1. Dabei finden wir ein von Quantenpunkten in herkömmlichen Halbleitern, wie zum Beispiel GaAs, deutlich abweichendes Verhalten. Die Tatsache, dass Graphen über zwei K-Valleys verfügt, führt zu einer impliziten Verletzung der Zeit- umkehrsymmetrie der Elektronzustände in dem Quantenpunkt. Daraus resultiert, dass es auch für den Fall eines verschwindend kleinen Magnetfeldes nicht zu einer sogenannten van-Vleck-Auslöschung kommt. Dies wiederum führt dazu, das die Spinrelaxationszeit für kleine Feldstärken nur schwach vom Magnetfeld abhängt. Bei größeren Feldstärken findet ein Übergang zu 1/T1 ∝ B2 und 1/T1 ∝ B4 statt. Eine neuartige direkte Kopplung von Spins und zur Graphenebene orthogonal polarisierten Phononen liefert einen großen Beitrag zur Relaxationsrate.
Weiterhin untersuchen wir die Kopplung von nicht direkt benachbarten Quantenpunkten in einer Anordnung von aneinandergereihten Quantenpunkten in einem Graphen-Nanoband. Die elektronischen Zustände im Leitungsband lassen sich durch Tunnelprozesse über ein Kontinuum von delokalisierten Zuständen im Valenzband indirekt koppeln. Wir nutzen eine zweifache Schrieffer-Wolff-Transformation, um einen effektiven Hamilton-Operator aus einem Anderson-Modell für zwei Fehlstellen herzuleiten. Mit unserer Theorie können wir den Gültigkeitsbereich der Ansätze von Coqblin und Schrieffer aufzeigen, welche dieses Problem im Kontext magnetischer Fehlstellen behandelt haben. Ferner vergleichen wir unser Resultat der zweifachen Schrieffer- Wolf-Transformation mit dem einer Störungsrechnung in vierter Ordnung. Wir finden klare Unterschiede, welche ihren Ursprung in unterschiedlichen Annahmen u ̈ber die Kontinuumszustände haben. Als Anwendung des Formalismus diskutieren wird die Austauschwechselwirkung zwischen elektrostatisch definierten Quantenpunkten in Graphennanobändern. Wir zeigen, dass durch Einstellen der Energien der beiden betrachteten Quantenpunkte die Reichweite der Austauschwechselwirkung variiert werden kann und dabei alle anderen Quantenpunkte unbeeinflusst bleiben.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Gebiet der Nanomechanik. Dabei untersuchen wir die Kopplung eines einzelnen Spins an einen nanomechanischen Resonator. Wir zeigen, dass in einer frei aufgehängten und elektrisch kontraktierten Kohlenstoffnanoröhre, welche als Quantenpunkt fungiert, die Spin-Orbit-Wechselwirkung eine Kopplung zwischen dem Elektronenspin und der Biegungsmode der Nanoröhre induziert. Das System lässt sich mit Hilfe des Jaynes-Cummings-Modells der Quantenelektrodynamik für Hohlraumresonatoren beschreiben. Dabei spielt die quantisierte Biegungsmode die Rolle einer optischem Mode im Hohlraumresonator. Unsere Berechnungen zeigen, dass es mit aktuellen experimentellen Fertigkeiten möglich ist, das Regime der starken Kopplung zu erreichen. Die starke intrinsische Kopplung zwischen dem Spin und der mechanischen Bewegung erlaubt sowohl die Messung als auch die Manipulation des Spin über den Schwingungsfreiheitsgrad.
Des Weiteren zeigen wir, wie sich der Spin in besagtem System mit Hilfe eines kapazitiv gekoppelten Ladungssensors auslesen lässt. Dazu nutzen wir das Jaynes-Cummings-Modell und berechnen die mechanische Antwort des Resonators auf externe Anregung durch Mikrowellen. Wir zeigen, dass sich durch Messen der Amplitude des Kohlenstoffnanoröhrchens durch den Ladungssensor der Spinzustand auslesen lässt.
Fachgebiet (DDC)
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ISO 690
STRUCK, Philipp, 2013. Spin coherence in carbon-based nanodevices [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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We find a behavior markedly different from the known results from quantum dots in conventional semiconductors such as GaAs. The presence of two independent K-valleys in graphene results in an effective breaking of time-reversal symmetry of the electronic states in the quantum dot. This leads to an absence of the so-called Van Vleck cancellation even for a vanishing magnetic field. As a result the spin-relaxation time depends only weakly on the magnetic field for low field strengths. At higher fields a cross over to 1/T1 ∝ B2 and 1/T1 ∝ B4 is predicted. A novel direct spin-phonon coupling involving the out-of-plane phonons in graphene is found to be an important contribution to the spin-relaxation.<br /><br /><br />We also study the coupling of non-neighboring quantum dots in an array of dots in a graphene nanoribbon. The electronic states in the conduction band are coupled indirectly via tunneling to a common continuum of delocalized states in the valence band. We model the system with a two-impurity Anderson Hamiltonian which is transformed into an effective spin Hamiltonian with the help of a two-stage Schrieffer-Wolff transformation. The result is compared to that from a calculation using a Coqblin-Schrieffer approach as well as to fourth-order perturbation theory. We discuss the ranges of validity of the different models and derive an expression for the long-distance coupling for the case of an array of quantum dots in a graphene nanoribbon.<br /><br /><br />The second part of this thesis delves into the study of nanomechanics. We study the coupling of an electron spin to vibrational motion due to spin-orbit coupling in suspended carbon nanotube quantum dots. First we show that with current capabilities, a quantum dot with an odd number of electrons can serve as a realization of the Jaynes-Cummings model known from cavity quantum electrodynamics. Using realistic experimental parameters we argue that the strong-coupling regime can be reached. In the proposed setup, a quantized flexural mode of the suspended tube plays the role of the optical mode in cavity quantum electrodynamics and we identify two distinct two-level subspaces, at small and large magnetic field, which can be used as qubits in this setup. Using the quantum master equation we show how the coupling of spin and mechanical motion is imprinted in the amplitude of the stationary state of the nanotube.<br /><br /><br />Furthermore we demonstrate how the spin of the electron in system described above can be read out by a charge sensing device in the vicinity of the charged nanotube. We calculate the response of the system to pulsed external driving of the mechanical motion using a Jaynes-Cummings model. 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