Elektrische Ansteuerung von planaren Ge-Hole-Spin-Qubits in einem in-Plane-Magnetfeld

Hole-Spin-Qubits in Gruppe-IV-Halbleitern, insbesondere Ge und Si, werden aktiv als Plattformen für ultraflotte elektrische Spinmanipulation untersucht, dank ihrer starken Spin-Bahn-Kopplung. Dennoch befindet sich das theoretische Verständnis der Spin-Dynamik in diesen Systemen noch in den frühen Entwicklungsphasen, insbesondere für in-Plane-Magnetfelder, wie sie in der überwiegenden Mehrheit der Experimente verwendet werden. In dieser Arbeit präsentieren wir eine umfassende Theorie der Spin-Physik in planaren Ge-Hole-Quantenpunkten in einem in-Plane-Magnetfeld, wobei die orbitalen Terme eine dominierende Rolle in der Qubit-Physik spielen, und bieten einen kurzen Vergleich mit experimentellen Messungen der winkelabhängigen elektrisch getriebenen Spinresonanz. Wir konzentrieren die theoretische Analyse auf elektrische Spinoperationen, phononinduzierte Relaxation und die Existenz von Kohärenz-Süßpunkten. Wir stellen fest, dass die Wahl der Magnetfeldorientierung einen wesentlichen Unterschied für die Eigenschaften der Hole-Spin-Qubits ausmacht. Insbesondere finden wir, dass (i) EDSR für in-Plane-Magnetfelder nichtlinear mit der Feldstärke variiert und schwächer ist als für senkrechte Magnetfelder. (ii) Die EDSR-Rabi-Frequenz wird maximiert, wenn das a.c. elektrische Feld parallel zum Magnetfeld ausgerichtet ist und verschwindet, wenn die beiden senkrecht zueinander stehen. (iii) Die orbitalen magnetischen Feldterme machen den in-Plane-g-Faktor stark anisotrop in einem komprimierten Punkt, was in hervorragender Übereinstimmung mit experimentellen Messungen steht. (iv) Fokussierend auf zufälliges Telegraphengeräusch zeigen wir, dass der Effekt von Geräuschen in einem in-Plane-Magnetfeld nicht vollständig gemildert werden kann, da die orbitalen magnetischen Feldterme das Qubit all seinen Komponenten des Defekt-Elektrofeldes aussetzen. Diese Ergebnisse werden eine Richtlinie für Experimente bieten, um ultraflotte, hochkohärente Hole-Spin-Qubits in Ge zu gestalten.