On-chip integrated, silicon-graphene plasmonic Schottky photodetector, with high responsivity and avalanche photogain
我们报道了一种片上集成的金属-石墨烯-硅等离子体肖特基光电探测器，在1.55 μ m处具有85 mA/W的响应度和7%的内量子效率。这比在相同条件下工作的金属硅肖特基光电探测器高一个数量级。在3V的反向偏压下，实现了雪崩倍增，响应度为0.37A/W，雪崩光增益为2。这为石墨烯集成硅光子学铺平了道路。
2015-12-26 cond-mat.mes-hall
On-chip all-silicon thermoelectric device
相对于体硅，硅纳米结构的低热导率为热电应用开辟了极好的可能性，因为它将使得能够使用硅将废热高效地直接转换为电能。这为硅器件在能源收集和绿色能源收集方面的应用铺平了道路。我们提出了一个设备与大量的纳米结构悬浮在硅基板上。将讨论基于先进光刻和各向异性蚀刻的自顶向下器件制造技术。还进行了FEM模拟以分析通过纳米结构的温度趋势。
2021-03-26 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Strongly coupled single quantum dot-cavity system integrated on a CMOS-processed silicon photonic chip
量子光子集成电路（QPIC）是构建量子技术应用集成器件的一种很有前途的工具。在光学领域，由互补金属氧化物半导体（CMOS）技术授权的硅光子学提供了用于实现大规模QPIC的光学组件。QPIC需要单光子水平的光学非线性来促进光子-光子相互作用。然而，迄今为止，具有确定性（即，尽管基于硅光子学的QPIC的功能性增强，但是通过使用基于硅的组件来实现单光子非线性（非概率性）是具有挑战性的。在本研究中，我们首次在CMOS制程的硅光子晶片上实现了强耦合的InAs/GaAs量子点-腔量子电动力学系统。采用转移印刷法在硅片上实现了GaAs腔体的异质集成。本文实现的CMOS光子芯片上的腔QED系统是一种很有前途的片上单光子非线性元件的候选者，它构成了基于QPIC的未来应用的基础组件，如通过腔对量子比特态的相干操纵和无损测量，以及高效的单光子滤波器和路由器。
2018-09-28 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Spin readout of a CMOS quantum dot by gate reflectometry and spin-dependent tunnelling
硅自旋量子比特是实现大规模量子处理器的有希望的候选者，受益于磁安静的宿主材料和利用成熟的硅器件制造行业的前景。我们报道了在300 mm晶圆尺度上用CMOS兼容工艺制造的单占据栅定义的量子点中电子自旋的测量。对于读出，我们采用自旋相关的隧道结合低足迹单引线量子点电荷传感器，使用射频门反射测量。我们证明了使用这种技术在两个设备中的自旋读出，获得谷分裂在0.5-0.7毫电子伏的范围内使用激发态光谱，并测量最大电子自旋弛豫时间（$T_1$）的$9 \pm 3$ s在1特斯拉。这些长寿命表明，这里采用的硅纳米线几何形状和制造工艺显示了量子位器件的巨大潜力，而这里展示的自旋读出方法非常适合各种可扩展的架构。
2020-06-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Net on-chip Brillouin gain based on suspended silicon nanowires
光子-声子耦合的百年研究在过去十年中出现了令人瞩目的复兴。在早期对动力学反作用的观测的推动下，该领域发展到基态冷却和单个声子的计数。最近的一个分支研究了硅电路中行波、光学宽带光子-声子相互作用的潜力。在这里，我们报告连续波布里渊增益超过光损耗的一系列悬浮硅梁，选择性片上放大器的一步。我们获得的效率高达$10^{4} \, \text{W}^{-1}\text{m}^{-1}$，迄今为止在声子千兆赫范围内的最高。我们还发现，几何无序对纳米级声子为基础的技术构成了重大挑战的迹象。
2015-08-25 cond-mat.mes-hall physics.optics
A Silicon Nanocrystal Tunnel Field Effect Transistor
在这项工作中，我们演示了硅双极场效应晶体管（ncFET）。其操作类似于具有串联的两个势垒的隧穿场效应晶体管（TFET）的操作。隧穿势垒层制作在非常薄的二氧化硅中，沟道制作在本征多晶硅中。没有掺杂消除了在结处实现尖锐掺杂分布的问题，这已经被证明是大规模集成的挑战，并且原则上允许按比例缩小原子级。所展示的ncFET在室温下具有10 $^4$的开/关电流比，在0.5 V偏压下具有低30 pA/ $μ$ m的漏电流，与典型的全硅TFT相当的通态电流和具有高对称性的双极操作。量子点输运光谱用于评估硅岛的能带结构和能级。
2014-05-19 cond-mat.mes-hall
On-chip cavity quantum phonodynamics with an acceptor qubit in silicon
我们描述了一个基于芯片的，固态模拟腔QED利用声学声子，而不是光子。我们展示了硅纳米机械腔中的长寿命和可调谐受主杂质态如何发挥相干声子的物质非线性的作用，例如，约瑟夫森量子比特在电路量子电动力学中起作用。在1 - 20 GHz范围内的腔中可以达到强耦合（拉比振荡数~100）和强色散耦合（0.1 - 2 MHz）机制，从而能够控制单个声子、声子-声子相互作用、受体量子位的色散声子读出以及与其他光学机械组件（如声子-光子翻译器）的兼容性。我们预测明确的实验签名的受体腔系统。
2013-08-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scalable on-chip multiplexing of silicon single and double quantum dots
本研究利用64通道超低功耗cryo-CMOS多路复用器实现硅量子点的片上接口连接，验证了混合量子-CMOS技术对大规模硅基量子计算机构建的支撑作用。
2024-10-10 cond-mat.mes-hall
Casimir forces on a silicon micromechanical chip
量子涨落引起范德华力和卡西米尔力，它们在亚微米间距的电中性物体之间的相互作用中占主导地位。在微型化的趋势下，这种量子电动力学效应有望在微纳机械器件中发挥重要作用。然而，在芯片级上利用卡西米尔力仍然是一个主要的挑战，因为迄今为止所有的实验都需要将外部物体手动定位在机械元件附近。在这里，通过将力传感微机械梁和静电致动器集成在单个芯片上，我们演示了同一衬底上的两个微加工硅元件之间的Casimir效应。可以实现两个近平面相互作用表面之间的高度平行，因为它们在单个光刻步骤中被限定。除了为Casimir力测量提供紧凑的平台外，该方案还开启了使用非常规形状的光刻定义组件来定制Casimir力的可能性。
2013-05-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Energy-tunable entangled photon sources on a III-V/Silicon chip
许多设想的量子光子技术，例如量子中继器，依赖于偏振纠缠光子对的能量（波长）可调谐源。能量可调谐性是实现不同光源间双光子干涉和纠缠交换的基本要求。纠缠光子的参数下转换和四波混频源已经显示出能量可调谐性，但是源的概率性质限制了它们在复杂量子协议中的应用。在这里，我们报告了一种基于硅的混合光子芯片，其中能量可调的偏振纠缠光子由确定性和可扩展的III-V族量子光源产生。该器件是基于一个微机电系统（MEMS），将InAs/GaAs量子点（QD）的PMNPT上的硅衬底上。单量子点的纠缠光子发射可以被调谐超过3000倍的辐射线宽而不破坏纠缠。我们的设计占地数百微米，有利于硅上不可区分的纠缠光子源的小型化和可扩展集成。当与硅基量子光子电路连接时，该设备将提供广泛的令人兴奋的可能性。
2015-07-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
A Multi-Module Silicon-On-Insulator Chip Assembly Containing Quantum Dots and Cryogenic Radio-Frequency Readout Electronics
本文提出一种基于FDSOI CMOS工艺的低温多模块硅芯片组件，集成了低噪声放大器、单刀八掷开关与硅量子点阵列，成功实现了双单电子盒的时域射频多路复用读出，为全硅量子计算系统奠定基础。
2024-11-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Thermometry of Silicon Nanoparticles
目前的温度测量技术缺乏看到典型的高度缩放的现代晶体管中的温度梯度所需的空间分辨率。作为解决这个问题的一个步骤，我们已经测量了硅纳米粒子的体积等离子体激元能量的温度依赖性从室温到1250 $^\circ$ C，使用芯片式加热样品架在扫描透射电子显微镜（STEM）配备电子能量损失谱（EELS）。等离子体激元能量如对于经受硅的热膨胀的电子气所预期的那样变化。颠倒这种推理，我们发现等离子体激元能量的测量提供了与加热器芯片的宏观加热器/温度计一致的纳米颗粒温度的独立测量，在芯片温度计校准的5%精度内。因此，硅有可能通过测量其体积等离子体激元能量来提供其自身的高空间分辨率测温读出信号。此外，纳米颗粒通常可以用作\emph{in situ}电子显微镜实验的方便的纳米温度计。
2017-06-16 cond-mat.mes-hall
Exact location of dopants below the Si(001):H surface from scanning tunnelling microscopy and density functional theory
控制硅中的掺杂剂仍然是定制集成电路电子材料性能的最重要方法，其中V族杂质是最重要的n型掺杂剂。与此同时，由于硅为杂质轨道提供了磁性安静的环境，硅在相干量子器件中找到了新的应用。掺杂剂轨道的电离能和形状取决于它们相互作用的表面和界面。因此，掺杂剂的位置和局部环境效应将决定未来量子信息处理器和下一代半导体器件的功能。在这里，我们从低温扫描隧道显微镜（STM）的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算模拟的图像匹配观察到的掺杂剂波函数。通过实验和理论的结合，我们精确地确定了Si（001）：H表面以下5和15 A之间的中性As掺杂剂的替代位置。在这个过程中，我们获得了充分的理解与表面的施主电子态的相互作用，因此之间的过渡散装掺杂剂（与其离域类氢轨道）和先前研究的掺杂剂在表面层。
2017-01-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Shortcuts to adiabatic non-Abelian braiding on silicon photonic chips
针对现有非阿贝尔编织实现受绝热条件限制、操作距离长的问题，研究团队在三维硅光子芯片上实现了绝热捷径（STA）编织，打造出迄今最紧凑的光子编织装置，为紧凑型非阿贝尔光子器件应用铺路。
2024-10-09 cond-mat.mes-hall physics.optics
Gate-sensing coherent charge oscillations in a silicon field-effect transistor
由互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的小型化引起的量子力学效应阻碍了场效应晶体管的性能和可扩展性前景。然而，这些量子效应，如隧道效应和相干性，可以利用现有的CMOS技术进行量子信息处理。在这里，我们报告的观察相干电荷振荡的双量子点中形成的硅纳米线晶体管检测通过其分散的相互作用与通过栅极耦合的射频谐振电路。点间电荷跃迁时的差分电容变化使我们能够监测系统在强驱动状态下的状态，在强驱动状态下，我们观察到Landau-Zener-St{ü}ckelberg-Majorana干扰对谐振器相位响应的影响。色散信号的理论分析表明，必须包括量子和隧穿电容的变化来描述量子比特谐振器的相互作用。此外，干涉图案的傅立叶分析揭示了电荷相干时间，$T_2\approx 100$ ~ps。我们的研究结果表明，在一个简单的硅晶体管的电荷相干控制和读出，并开辟了在现有的CMOS技术实现电荷和自旋量子位的可能性。
2016-02-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Integrated multiplexed microwave readout of silicon quantum dots in a cryogenic CMOS chip
固态量子计算机需要经典电子学来控制和读出单个量子比特，并实现快速经典数据处理[1-3]。在固态量子处理器运行最佳的深低温下集成两个子系统[4]，可以解决一些主要的扩展挑战，例如系统大小和输入/输出（I/O）数据管理[5]。硅量子点（QD）中的自旋量子位可以使用超大规模集成（VLSI）与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件单片集成，从而利用半导体行业的广泛制造经验[6]。然而，在mK温度下使用工业CMOS进行集成的实验演示仍处于起步阶段。在这里，我们提出了一个使用工业CMOS技术制造的低温集成电路（IC），它包含硅基量子处理器的三个关键成分：QD阵列（在这里以非交互式3x 3配置排列），数字电子器件，以最大限度地减少使用行列寻址的控制线和用于多路复用读出的模拟LC谐振器，所有这些都在50 mK下工作。与微波谐振器（6-8 GHz范围），我们显示分散读出的量子点的电荷状态，并执行组合的时域和频域复用，实现可扩展的读出，同时减少整体芯片的足迹。这种模块化架构探讨了使用工业CMOS技术实现集成量子和经典电子学的大规模硅量子计算机的限制。
2021-01-20 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits
最有前途的量子算法在针对实际应用时需要托管数百万量子比特的量子处理器。大规模量子计算的一个主要挑战是互连复杂性。在当前的固态量子比特实现中，稀释制冷机中的量子芯片和室温电子器件之间出现了一个主要瓶颈。先进的光刻技术支持在硅中制造CMOS控制电子器件和量子位。当电子器件被设计成在低温下工作时，它最终可以与量子位集成在同一个芯片或封装上，克服布线瓶颈。在这里，我们报告了一个低温CMOS控制芯片工作在3 K，输出量身定制的微波爆发驱动硅量子位冷却到20 mK。我们首先对控制芯片进行基准测试，并发现电气性能与99.99%保真度量子位操作一致，假设理想的量子位。接下来，我们用它来相干控制实际的硅自旋量子比特，发现低温控制芯片达到了与商业仪器相同的保真度。此外，我们通过在双量子位量子处理器上编程一些基准测试协议以及Deutsch-Josza算法来突出控制芯片的广泛功能。这些结果为完全集成、可扩展的硅基量子计算机开辟了道路。
2020-09-29 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
