Los puntos cuánticos basados en germanio atraen la atención por la alta movilidad de los huecos y la fuerte interacción espín-órbita, que permite controlar el espín con rapidez. Sin embargo, el ruido de carga, provocado por la captura de carga en la interfaz entre el SiGe y el dieléctrico, limita el tiempo de coherencia de los cúbits de espín. Los intentos previos de resolver el problema incluían el tratamiento de la superficie y la modificación del grosor de la barrera, pero su eficacia seguía siendo insuficiente. Este trabajo se enmarca en la búsqueda de materiales con bajo ruido para procesadores cuánticos escalables.
Los investigadores utilizaron epitaxia de haces moleculares para cultivar heteroestructuras de SiGe/Ge con un cambio gradual de la composición de la barrera superior. La composición variaba de Si0.2Ge0.8 a Si0.8Ge0.2 a lo largo de 25 nm de grosor, lo que rebajaba suavemente el borde de la banda de valencia. Para comparar, cultivaron una estructura sin modulación de composición. La caracterización se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de transmisión, difracción de rayos X y mediciones en puentes Hall a 2 K. Los puntos cuánticos se fabricaron con litografía por haz de electrones y se midieron a 60 mK en un refrigerador de dilución.
Las mediciones Hall mostraron que la modulación de composición amplía el rango de voltaje de puerta estable en 2.75 veces en comparación con la estructura convencional. En los puntos cuánticos, el ruido de carga promedio a una frecuencia de 1 Hz fue de 0.46 µeV/√Hz, el valor más bajo para pozos cuánticos de Ge sobre sustratos de silicio. A una frecuencia de 10 mHz el ruido fue de 6.77 µeV/√Hz, y al rastrear el pico coulombiano a 1 mHz fue de 46.48 µeV/√Hz. Los diagramas de estabilidad en el régimen de pocos huecos no mostraron deriva del voltaje de transición durante 100 minutos.
El trabajo demuestra que la modulación de la composición de la barrera suprime eficazmente el ruido de carga en los puntos cuánticos de Ge. Esto difiere de los enfoques anteriores, que se centraban en el tratamiento de la superficie o en el grosor de la barrera, pero no resolvían el problema desde el punto de vista energético. Este método abre el camino a la creación de cúbits de espín escalables con un tiempo de coherencia prolongado.
Una mejora adicional es posible gracias al uso de sustratos de germanio para reducir el desajuste de red y aumentar el grosor de la barrera. También es prometedor combinar la modulación de composición con la optimización del dieléctrico y la geometría de las puertas. En el futuro, este tipo de estructuras podría integrarse en matrices multícúbit.
Los resultados influirán en el desarrollo de procesadores cuánticos basados en cúbits de espín de huecos de germanio, así como en las tecnologías de cultivo de heteroestructuras semiconductoras con bajo ruido.
El siguiente paso será reproducir la metodología sobre sustratos de germanio y comprobar la coherencia de los espines en cúbits fabricados a partir de dichas estructuras.
El trabajo está directamente relacionado con el problema de la decoherencia en los cúbits de espín semiconductores, donde el ruido de carga es el principal factor limitante. La supresión del ruido a nivel del material abre el camino a un aumento del tiempo de coherencia sin necesidad de una calibración compleja del campo magnético.
El ruido de carga en estos dispositivos es tan pequeño que el voltaje de transición entre los estados con cero y un hueco no cambia durante casi dos horas, aunque normalmente este tipo de transiciones derivan en cuestión de minutos.