具有橫向電極的量子阱裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示一種設備，其包含：襯底，其具有平面頂部表面；晶體半導體層序列，其位于所述平面表面上；以及第一及第二組電極，其位于所述序列上方。所述晶體半導體層序列在其中具有2D量子阱。所述第一組電極界接所述序列的橫向區(qū)域的相對側且為可控制的，以使所述量子阱的非耗盡部分的寬度沿著所述頂部表面變化。所述第二組電極界接所述序列的所述橫向區(qū)域與第一及第二鄰近橫向區(qū)之間的第一及第二溝道且為可控制的，以使所述量子阱的非耗盡分段的寬度在所述溝道中變化。所述電極經定位成使得經由所述溝道而連接所述第一及第二橫向區(qū)的直線在所述電極中的一者與所述襯底之間通過或與所述序列的有效晶格方向不對準。
【專利說明】具有橫向電極的量子阱裝置
[0001]相關申請案交叉參考
[0002]此申請案主張羅伯特L.威利特(Robert L.Willett)于2011年12月2日提出申請的第61/566357號美國臨時申請案的權益。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明一般來說涉及半導體量子阱裝置及用于制作及/或使用此類裝置的方法?！颈尘凹夹g】
[0004]此章節(jié)介紹可有助于促進對本發(fā)明的更好理解的方面。因此，此章節(jié)的陳述應以此觀點來閱讀且不應理解為對先前技術或非先前技術的認可。
[0005]分數量子霍爾效應(FQHE)在強外部磁場中產生由電荷載子之間的集體效應導致的一組特殊均衡狀態(tài)。所述特殊均衡狀態(tài)以磁性朗道能級的特殊填充值而發(fā)生，此發(fā)生于外部磁場中。在此些特殊均衡狀態(tài)中，所陷獲二維電荷載子氣體(2DCCG)可表現為不可壓縮流體液滴，且電流可經由流體液滴的邊緣上的激發(fā)而通過此氣體進行輸送。
[0006]一些FQHE系統可提供量子計算機的實現，針對所述量子計算機，多激發(fā)狀態(tài)遵從非阿貝爾統計。因此，可使用此些多激發(fā)狀態(tài)來表示量子計算機中的量子位的狀態(tài)。非阿貝爾統計的拓撲性質可保護此些狀態(tài)在物理系統中免受擾亂。因此，此些激發(fā)狀態(tài)可達成其中對計算錯誤的感受性可比在量子計算機的其它實現中低得多的量子計算機的實現。

【發(fā)明內容】

[0007]—個實施例是一種設備，其包含:襯底，其具有平面頂部表面；晶體半導體層序列；其位于所述頂部平面表面上；以及第一及第二組電極，其位于所述序列上方。所述晶體半導體層序列在其中具有二維(2D)量子阱。所述第一組電極界接所述序列的橫向區(qū)域的相對側且為可控制的以使所述量子阱的非耗盡部分的寬度沿著所述頂部表面變化。所述第二組電極界接所述序列的所述橫向區(qū)域與第一及第二鄰近橫向區(qū)之間的第一及第二溝道且為可控制的以使所述量子阱的非耗盡分段的寬度變化。所述電極經定位使得經由所述溝道而連接所述第一及第二橫向區(qū)的直線在所述電極中的一者與所述襯底之間通過或與所
述晶體半導體層序列的有效[I T O]晶格方向不對準。
[0008]在上述設備中的任一者中，所述序列可實質上沿著所述半導體層的實際[O O I]晶格方向定向且所述有效[I I O]晶格方向可為所述層的實際[I I O]晶格方向。
[0009]在上述設備中的任一者中，所述序列可包含一組II1-V族半導體合金。
[0010]在上述設備中的任一者中，所述電極可經定位使得所述直線與所述有效[I T O]晶格方向不對準達至少10度。
[0011]在上述設備中的任一者中，所述設備可進一步包含位于所述橫向區(qū)域上方的至少兩個點狀電極。[0012]在上述設備中的任一者中，所述第二組的所述電極可操作以反向散射沿著所述量子阱中的FQHE液滴的一個邊緣傳播到所述FQHE液滴的相對邊緣的邊緣電流。
[0013]在上述設備中的任一者中，另一組所述電極可位于所述序列上方且鄰近所述序列的第二橫向區(qū)域的相對側而定位。所述兩個橫向區(qū)是不相交的，且所述電極中的一些電極為可控制的以使溝道的非耗盡分段沿著所述頂部表面的寬度在所述量子阱中所述兩個橫向區(qū)域之間變化。某一此類設備可進一步包含位于所述兩個橫向區(qū)域中的每一者上方的至少一個點狀電極。某一此類設備可進一步包含位于所述序列上方在所述點狀電極之間及在一對門控電極之間的橋式電極，其中所述橋式電極可操作以在所述點狀電極之間輸送集中FQHE激發(fā)。
[0014]在另一實施例中，一種方法包含:將2DCCG的FQHE液滴約束于半導體層序列的中心及外部橫向區(qū)域以及所述半導體層序列的溝道。所述溝道將所述中心橫向區(qū)域連接到所述外部橫向區(qū)域，且經由所述溝道而連接所述外部橫向區(qū)域的每一直線橫穿2DCCG耗盡的
區(qū)域或與所述半導體層序列的有效[11O]晶格方向不對準。所述方法還包含對位于所述
FQHE液滴在所述中心區(qū)域中的一者中的一部分上方的第一電極進行電壓偏置以在其中局部地陷獲帶電準粒子激發(fā)。
[0015]在一些實施例中，所述上述方法可進一步包含將另一帶電準粒子激發(fā)從所述第一電極傳送到位于所述FQHE液滴的橫向遠端第二部分上方的第二電極。所述橫向遠端部分位于所述中心橫向區(qū)域中的另一者中。
[0016]在一些實施例中，所述上述方法中的任一者可進一步包含改變控制位于所述第一電極與所述第二電極之間的溝道的頂部電極的電壓偏置，使得準粒子或邊緣激發(fā)在所述FQHE液滴的兩個邊緣之間反向散射。
[0017]在一些實施例中，所述上述方法中的任一者可進一步包含確定由所述局部陷獲步驟產生的FQHE狀態(tài)的值。
[0018]在一些實施例中，所述上述方法中的任一者，所述序列沿著所述序列的半導體層的實際[O O I]晶格方向定向，且所述有效[11O]晶格方向是所述層的實際[I 了0]晶格方向。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是示意性地圖解說明用于維持及操縱二維電荷載子氣體(2DCCG)的FQHE液滴中的激發(fā)狀態(tài)的設置的斜視圖；
[0020]圖2Α是用于(例如，在具有圖1的設置的情況下)操縱FQHE液滴的激發(fā)狀態(tài)的平面結構的一個實施例的俯視圖；
[0021]圖2Β是用于(例如，在具有圖1的設置的情況下)操縱FQHE液滴的激發(fā)狀態(tài)的平面結構的另一實施例的俯視圖；
[0022]圖2C是用于(例如，在具有圖1的設置的情況下)操縱FQHE液滴的激發(fā)狀態(tài)的平面結構的又一實施例的俯視圖；
[0023]圖3Α及3Β是用于(例如，在具有圖1的設置的情況下)操縱FQHE液滴的激發(fā)狀態(tài)的平面結構的替代實施例的俯視圖；[0024]圖4A及4B是用于(例如，在具有圖1的設置的情況下)操縱FQHE液滴的激發(fā)狀態(tài)的平面結構的替代實施例的俯視圖；
[0025]圖5A及5B是用于(例如，在具有圖1的設置的情況下)操縱FQHE液滴的激發(fā)狀態(tài)的平面結構的替代實施例的俯視圖；
[0026]圖6A是圖1的平面結構(例如，圖2A、2B、2C、3A、3B、4A、4B、5A及5B的平面結構)的一個層序列的橫截面圖；
[0027]圖6B用曲線圖表示隨圖6A的平面結構的實施例的由鋁(Al)、鎵(Ga)及/或砷(As)的合金形成的二維(2D)量子阱結構的垂直深度而變的鋁(Al)百分比；且
[0028]圖7是示意性地圖解說明操縱FQHE液滴的激發(fā)狀態(tài)(例如，使用圖2A、2B、2C、3A、3B、4A、4B、5A及/或5B的呈圖1的設置的平面結構)的方法的流程圖。
[0029]在各圖及文本中，相似元件符號是指功能及/或結構類似元件。
[0030]在各圖中，可能放大一些特征的相對尺寸以較清楚地圖解說明其中的設備。
[0031]在本文中，通過說明性實施例的各圖及【具體實施方式】較全面地描述各種實施例。然而，本發(fā)明可體現為各種形式且不限于說明性實施例的各圖及【具體實施方式】中所描述的特定實施例。
【具體實施方式】
[0032]羅伯特L.威利特于2011年12月2日提出申請的第61/566357號美國臨時申請案以全文引用的方式并入本文中。
[0033]在本文中，晶體層的有效[I I O]晶格方向是指所述層的實際[I I O]晶格方向及
所述層的[I 了O]樣生長方向。[I TO]樣生長方向是沿著晶體層的生長表面的方向，針對所述方向，外延生長與針對沿著所述生長表面的其它方向相比相對較快。此層的表面形態(tài)通常包含主要沿著此[I T O]樣生長方向對準的單位晶胞或原子標度階梯或者較大標度線。作為實例，對于沿著層的實際[001]晶格方向外延生長且具有滿足O < X ( I的合金參數X的AlxGahriAs層，此些線或者單位晶胞或原子標度階梯通常主要視為沿著所述層的實際
[I 了 O]晶格方向對準。
[0034]圖1圖解說明用于(例如)通過干擾分數量子霍爾效應(FQHE)液滴的邊緣激發(fā)而操縱FQHE液滴的激發(fā)狀態(tài)的硬件設置10。硬件設置10包含平面半導體裝置12、低溫冷卻系統14及磁鐵16。
[0035]硬件設置10可(例如)用于在強磁場中操縱電荷載子的FQHE流體的激發(fā)。對于此些示范性使用，平面半導體裝置12可(例如)針對外部磁場H的朗道能級的各種選定填充因子而將二維電荷載子氣體(2DCCG)的液滴橫向約束于所述能級中。對于大于2的填充因子(例如，在(2，4)的開集范圍中)，平面半導體裝置12可用于形成及/或操縱可遵從非阿貝爾統計的FQHE流體的激發(fā)，例如，在大約5/2、12/5或7/2的填充因子處。在一些實施例中，此些FQHE狀態(tài)可提供量子計算機中的量子位的表示。明確地說，硬件設置10可用于產生、改變及/或檢查量子位的此些表示的值。舉例來說，量子位的個別狀態(tài)可對應于FQHE液滴的不同電流攜載狀態(tài)，例如，此FQHE液滴的不同邊緣狀態(tài)。[0036]在硬件設置10中，半導體裝置12包含層序列18、電流攜載及/或電壓測量導線
22、電控制導線24及晶體襯底26。層序列18包含用于垂直約束2DCCG的二維(2D)量子阱結構。半導體裝置12還包含用于橫向約束2DCCG的不可壓縮FQHE液滴的一部分的頂部操作電極36。頂部電極36還可用于操縱所述FQHE液滴的橫向邊緣及/或激發(fā)。
[0037]在硬件設置10中，層序列18是位于襯底26的平面表面上方或直接在其上的晶體半導體層序列。所述半導體層序列形成2D量子阱。層序列18具有平面頂部表面，且其中的個別晶體半導體層通常平行于所述平面頂部表面而延伸。在所述序列中，個別半導體層可為(例如)II1-V族半導體的經摻雜及/或未摻雜合金。舉例來說，序列可包含砷化鎵(GaAs)及砷化鋁鎵的層(S卩，AlxGatl_x]AS層)，其中合金參數“X”可在層間變化。在此些實施例中，序列可(例如)沿著個別II1-V半導體層的[001]晶格方向延伸，使得其實際
[I I O]晶格方向近似沿著序列的平面頂部表面展開。摻雜劑原子優(yōu)選地遠離約束2DCCG的
半導體層。即，半導體層序列優(yōu)選地是經摻雜的調制，使得所述摻雜劑原子位于遠處且較少擾亂所約束2DCCG。
[0038]在硬件設置10中，頂部操作電極36橫向于FQHE液滴(即，橫向沿著層序列18的頂部表面)而定位。頂部操作電極36經連接以使得能夠控制及操縱垂直約束的2DCCG的FQHE液滴。頂部操作電極36可用于使此FQHE液滴的一部分的橫向區(qū)變化，即，沿著層序列18的頂部表面。頂部操作電極36還可用于反向散射此FQHE液滴上的邊緣激發(fā)及/或用于導致及控制此些邊緣激發(fā)的干擾。在一些實施例中，頂部操作電極36可初始化及/或改變由此FQHE液滴的電流狀態(tài)表示的量子位的狀態(tài)。
[0039]在設置10中，低溫冷卻系統14能夠將平面結構18冷卻到足夠低以產生FQHE狀態(tài)的溫度，例如，在5/2、12/5及/或7/2的填充因子處。明確地說，低溫冷卻系統14可能夠將平面結構18冷卻到低于150毫開氏度(mK)的溫度，例如，50mK到150mK ;優(yōu)選地冷卻到低于IOOmK的溫度，例如，IOOmK到大約50mK ;且可能冷卻到低于50mK的溫度，例如，大約20mK。低溫冷卻系統14可包含用于產生此冷卻的(例如)常規(guī)He3、He4稀釋制冷機。
[0040]在硬件設置10中，磁鐵16可產生接近且垂直于層序列18的頂部表面的中強外部磁場H，例如，其量值為大約5特斯拉或5特斯拉以上的磁場。磁場H足夠大以產生2DCCG中的所要FQHE狀態(tài)，例如，其中磁性朗道能級具有大約5/2、12/5或7/2的填充因子的狀態(tài)。磁場H在層序列18上方可為(例如)實質上均勻的。
[0041]在硬件設置10中，電流攜載及電壓測量導線22可攜載電流及/或(例如)經由常規(guī)4端子布置而實現對2D量子阱中的橫向約束的2DCCG的電壓測量?？刂茖Ь€24可經操作以部分地或完全地耗盡2DCCG的2D量子阱的選定橫向區(qū)域，使得將2DCCG的FQHE液滴約束于2D量子阱的選定橫向區(qū)域。在本文中，耗盡是指其中半導體結構或2D量子阱的橫向區(qū)域耗盡約束于其的2DCCG的電荷載子的情況。
[0042]圖2A到2C圖解說明圖1的平面結構12的各種替代實施例12A、12B、12C。從底部到頂部，平面結構12A到12C中的每一者包含晶體襯底26及包含至少下部勢壘層、鄰近阱層及鄰近上部勢壘層的層序列。即，層序列包含至少形成2D量子阱的晶體半導體層。
[0043]在層序列的頂部表面上方，平面結構12A到12C包含第一組頂部電極44A、44B及第二組頂部電極42A、42B、42C、42D。第一組的頂部電極44A、44B鄰近層序列的橫向中心區(qū)域Cl的相對側而定位。第二組的頂部電極42A到42D鄰近將中心區(qū)域Cl連接到層序列的相應左邊橫向區(qū)域L及右邊橫向區(qū)域R的第一溝道48及第二溝道50的橫向側而定位。即，頂部電極44A到44B及42A到42D的邊界界定層序列的中心區(qū)域Cl、左邊區(qū)域L及右邊區(qū)域R的橫向邊界。明確地說，中心區(qū)域Cl、左邊區(qū)域L及右邊區(qū)域R以及溝道48、50界定為層序列的橫向區(qū)域，所述橫向區(qū)域不位于頂部電極44A到44B、42A到42D中的任一者的一部分與襯底26 (圖2A到2C中未展示)之間。
[0044]所述層序列的半導體層為晶體且可具有(例如)沿著其界面定向且垂直于序列沿著的方向(其可沿著[O O I]晶格方向延伸)定向的有效[I 了 O]晶格方向。相對于所述有效[I 了0]晶格方向，頂部電極42A到42D、44A到44B具有特殊形式及位置。頂部電極42A
到42D、44A到44B的形式及位置致使第一溝道48及第二溝道50具有特殊相對位置。明確地說，經由第一溝道48及第二溝道50而將橫向左邊區(qū)域L連接到橫向右邊區(qū)域R的任何直線相對于有效[I I O]晶格方向是實質上不對準的(例如，不對準達10度或10度以上或者甚至達30度或30度以上)或在頂部電極42A到42D、44A到44B中的一者的一部分與圖1的襯底26之間通過。即，所有此些線與特殊有效[I T O]晶格方向均實質上不對準或在頂部電極42A到42D、44A到44B中的一者的一部分下方通過。
[0045]相信，對頂部電極42A到42D及44A到44B的位置及形式的上文所描述約束可能有助于使得平面結構12A到12C能夠用于產生及/或操縱2DCCG的FQHE液滴46。明確地說，
【發(fā)明者】相信，構造滿足上文所描述約束的頂部電極42A到42D、44A到44B通常將致使平面結構12A到12C在經受用于產生FQHE流體的溫度及一些磁場強度時不太可能產生2DCCG的條帶狀態(tài)。在此條帶狀態(tài)中，橫向約束的2DCCG通常具有呈第一整數QHE狀態(tài)的橫向條帶(例如，在為2的填充因子處)且在不同整數填充因子處具有呈第二整數QHE狀態(tài)的鄰近橫向條帶。在其它類型的2D量子阱裝置中，
【發(fā)明者】相信，在表面經平均化填充因子大于1(例如，在開集范圍(2，4)中)時產生此些條帶狀態(tài)可較容易。當形成此條帶狀態(tài)時，量子阱結構通常將不用于產生2DCCG中的FQHE狀態(tài)。因此，通常不期望在此2D量子阱結構將用于FQHE應用(例如)來進行量子計算機的量子位的表示時橫向約束的2DCCG具有形成此條帶狀態(tài)的傾向。
[0046]在圖2A到2C中，各種平面結構12A到12C圖解說明用以滿足對頂部電極42A到42D、44A到44B的上述約束的不同方式。即，相信平面結構12A到12C提供用于頂部電極42A到42D、44A到44B的在用于形成橫向約束的2DCCG中的FQHE液滴的情況下將可能阻礙此些條帶狀態(tài)的形成的不同布局。
[0047]參考圖2A，平面結構12A經構造成使得連接第一溝道48及第二溝道50的每一直線近似地沿著“X”方向定向，其中“X”方向相對于沿著[O O I]晶格方向延伸的層序列的
有效[丨T O]晶格方向是實質上不對準的。圖2A將有效[I I O]晶格方向圖解說明為沿著平
面結構12A的頂部表面定向。在此實例中，溝道48、50之間的任何直線與上文所描述的有
效[I I O]晶格方向不對準達至少α的角度，其中α可為10度或10度以上(例如，10度到
90度)或者可為30度或30度以上(例如，30度到90度)。實際上，所述不對準可甚至大
到使得有效[I I O]晶格方向是沿著平面結構12Α的頂部表面且沿著正交于“X”方向的“y”
方向定向。[0048]參考圖2B，平面結構12B經構造使得經由中心區(qū)域Cl而將左邊區(qū)域L連接到右邊區(qū)域R的每一直線具有在第二組的頂部電極42A到42D中的一者下方通過的分段。明確地說，使頂部電極42A到42D不對稱地形成，使得連接溝道48、50的任何直線(例如，虛線)相
對于沿著頂部表面的有效[I T O]晶格方向是實質上不對準的，即，不對準達角度α。再次，
不對準角度α可為10度或10度以上(例如，10度到90度)或者甚至30度或30度以上(例如，30度到90度)。
[0049]參考圖2C，平面結構12C經構造使得連接第一溝道48及第二溝道50的任何直線具有在第一組的頂部電極44Α中的一者下方通過的分段。明確地說，頂部電極44Α具有減小橫向中心區(qū)域Cl的部分的寬度的延伸部Ε，使得經由溝道48、50而連接左邊橫向區(qū)域L及右邊橫向區(qū)域R的任何直線在所述延伸部E下方通過，即使所述線近似地沿著半導體層
的有效[I I O]晶格方向亦如此。
[0050]在平面結構12C的一些替代實施例中，有效[I T O]晶格方向相對于連接第一溝道48及第二溝道50的任一此直線還可為實質上不對準的。
[0051]參考圖2Α到2C，平面結構12Α到12C可具有(例如)不同II1-V族合金的晶體層的層序列。舉例來說，所述層序列可包含外延生長的AlxGatl^As下部勢壘層、鄰近GaAs阱層及鄰近AlyGatl_y]As上部勢魚層,其中0〈x、y〈l。層序列可沿著II1-V族層的[O O I]結
晶晶格方向延伸使得實際 [I T O]晶格方向沿著層序列的平面頂部表面定向(即，如圖2A到
2C中說明性地所展示)，或可沿著不同晶格方向延伸(例如)使得有效[I T O]!晶格方向沿著層序列的平面頂部表面定向。
[0052]平面結構12A到12C可用于產生及/或操縱2DCCG的FQHE液滴46，其中FQHE液滴46約束于2D量子阱的橫向部分中，例如，在中心橫向區(qū)域Cl、左邊橫向區(qū)域L及右邊橫向區(qū)域R中。明確地說，為產生此液滴，在維持平面結構12A到12C處于極低溫度時，2DCCG可經受垂直于平面結構12A到12C的頂部表面定向的強磁場H，例如，在圖1的設置10中。在此情況中，FQHE液滴46可具有其橫向廣度在圖2A到2C中由從C到A延續(xù)的平滑曲線指示的上部邊緣且可具有其橫向廣度在圖2A到2C中由從B到D延續(xù)的平滑曲線指示的下部邊緣。平面結構12A到12C可通過施加到第二組的溝道門控頂部電極(即，電極對(42A、42B)及(42C、42D))及第一組的橫向約束頂部電極對(44A、44B)的電壓來控制FQHE液滴46的橫向邊緣的位置。
[0053]明確地說，可將電壓施加到頂部電極42A、42B、42C、42D、44A、44B以耗盡2D量子阱的直接下伏區(qū)域及/或耗盡2D量子阱的鄰近2DCCG的此些下伏區(qū)域的一些區(qū)域。舉例來說，如果所施加電壓產生排斥2DCCG中的電荷載子的庫侖電位，那么所施加電壓產生可將2DCCG的液滴(例如，FQHE液滴46)約束于2D量子阱的橫向區(qū)域(例如，橫向區(qū)域C1、L及R)的庫侖電位。實際上，一些此類所施加電壓還可用于操縱2DCCG的此橫向約束的FQHE液滴的邊緣。舉例來說，如果2DCCG的電荷載子是電子，那么增加施加到頂部電極42A、42B、42C、42D、44A、44B中的一或多者的負電壓的量值將增加接近在其上增加所施加負電壓的量值的頂部電極42A、42B、42C、42D、44A、44B中的一或多者的所陷獲電子的局部耗盡。因此，增加此些所施加負電壓的量值將使2D電子氣體的此橫向約束的FQHE液滴46的邊緣從在其上增加所施加負電壓的量值的頂部電極42A、42B、42C、42D、44A、44B中的一或多者的邊
緣進一步橫向移動。
[0054]在各種實施例中，可將三對頂部電極(S卩，對(42A、42B)、(42C、42D)及(44A、44B))單獨地偏置以實現對FQHE液滴46的不同橫向區(qū)域的單獨控制。橫向約束頂部電極44A、44B控制FQHE液滴46的約束于橫向中心區(qū)域Cl的部分的橫向寬度。變化對橫向約束頂部電極44A及44B的電壓偏置可使FQHE液滴46在橫向中心區(qū)域Cl中的部分的相應上部及下部橫向邊界移動。溝道門控頂部電極42A、42B控制溝道48的非2DCCG耗盡的部分的橫向寬度，所述溝道連接FQHE液滴46在橫向中心區(qū)域Cl中的部分與FQHE液滴46在橫向左邊區(qū)域L中的部分。溝道門控頂部電極42C、42D控制溝道50的非2DCCG耗盡的部分的橫向寬度，所述溝道連接FQHE液滴46在橫向中心區(qū)域Cl中的部分與FQHE液滴46在橫向右邊區(qū)域R中的部分。
[0055]施加到第二組的每一對溝道門控頂部電極(S卩，對(42A、42B)及(42C、42D))的電壓還可控制FQHE液滴46的邊緣激發(fā)在FQHE液滴46的上部邊緣C-A與下部邊緣B-D之間隧穿的可能性。當減小溝道48、50中的一者的非2DCCG耗盡的部分的寬度時，可反向散射FQHE液滴46的接近溝道48、50中的一者的邊緣激發(fā)。此反向散射可使此邊緣激發(fā)隧穿到FQHE液滴46的相對邊緣及/或使圖2A到2C中的邊緣激發(fā)的大體向右或向左傳播方向反向。因此，每一對溝道門控頂部電極(42A、42B)及(42C、42D)處的電壓可經調整以導致邊緣激發(fā)到FQHE液滴46的相對邊緣的此些反向散射或阻止此些反向散射。
[0056]基于此些反向散射，平面結構12A到12C可用于干擾FQHE液滴46的準粒子或邊緣激發(fā)。舉例來說，兩對溝道門控頂部電極(即，對(42A、42B)及(42C、42D))可設定為導致溝道48、50兩者處的此些反向散射。接著，可在左邊溝道48及右邊溝道50兩者處反向散射從FQHE液滴46的下部邊緣的左邊傳入的邊緣或激發(fā)。在溝道48、50中的不同者處反向散射的此些邊緣激發(fā)可干擾FQHE液滴46在橫向左邊區(qū)域L中的上部邊緣。此干擾的形式可通過改變FQHE液滴的約束于橫向中心區(qū)域Cl的部分的面積(例如，通過變化施加到約束頂部電極44A、44B的電壓)而變化。明確地說，與在右邊溝道50處反向散射的準粒子或邊緣激發(fā)相關聯的波函數接收由FQHE液滴46在橫向中心區(qū)域Cl中的部分中的若干個準粒子激發(fā)及磁通量量子固定的經添加相。因此，經由施加到橫向約束電極44A、44B的電壓而改變FQHE液滴46的所述中心約束的部分的面積可改變在兩個溝道48、50處的邊緣或準粒子激發(fā)的此些反向散射之間的干擾的形式。
[0057]頂部電極42A到42D及44A到44B可實質上環(huán)繞其面積為大約2 μ m2或小于2 μ m2的橫向中心區(qū)域Cl的實施例。溝道門控頂部電極(42A、42B)及(42C、42D)可具有大約Ιμπι的示范性寬度，且每一對所述門控頂部電極(42Α、42Β)及(42C、42D)的相對遠尖端可分離達大約0.6 μ m或小于0.6 μ m的示范性間隙。在低溫下，平面結構12A到12C可操作以干擾在溝道48、50處反向散射的邊緣激發(fā)且可(例如)用于指示針對5/2、12/5及/或7/2的朗道能級填充因子的FQHE流體46中的電荷e/2、e/4或其它適合值的準粒子的存在。
[0058]圖3A、3B、4A、4B、5A及5B圖解說明圖1中所圖解說明的平面結構12的實施例12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’及12B”’，例如，圖2A到2C中所圖解說明的平面結構12A到12C的特定實施例。平面結構12A，到12B’、12A”至IJ 12B”及12A”，到12B”，具有可經操作以產生及/或操縱2D量子阱的橫向部分中所陷獲的2DCCG的FQHE液滴46的頂部電極42A到42D、44A到42F。此FQHE液滴46可在極低溫度下產生于強正常磁場H中，例如，如關于圖1的硬件設置10已論述。
[0059]每一平面結構12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’、12B”’包含在晶體襯底(未展示)的
平面表面上方或直接在其上的晶體半導體層的層序列，如關于圖1及2A到2C的平面結構
12、12A到12C所描述。每一層序列在其中還包含2D量子阱。
[0060]每一平面結構12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’、12B”’包含第一組橫向約束頂部電極44A到44D且包含第二組溝道門控頂部電極42A到42F。第一組及第二組的頂部電極44A到44D、42A到42F位于層序列的橫向部分上方。第一組的橫向約束頂部電極44A、44B對鄰近層序列的兩個橫向中心區(qū)域C1、C2的相對側而定位。第二組的溝道門控頂部電極42A到42D對鄰近第一溝道48或第二溝道50而定位。溝道48、50將中心區(qū)域C1、C2連接到層序列的橫向左邊橫向區(qū)域L及右邊橫向區(qū)域R。溝道門控頂部電極42E、42F對鄰近連接兩個中心區(qū)域C1、C2的另一溝道49而定位。中心橫向區(qū)域C1、C2、左邊橫向區(qū)域L及右邊橫向區(qū)域R以及上文所論述溝道48到50中的各個溝道均是所述序列的橫向區(qū)域，所述橫向區(qū)域不位于頂部電極44A到44D、42A到42F中的一者與襯底(即，圖1的襯底26)之間。明確地說，頂部電極44A到44D、42A到42F的邊緣界定中心橫向區(qū)域Cl、C2、左邊橫向區(qū)域L及右邊橫向區(qū)域R的邊界。
[0061]所述序列的半導體層為晶體且具有沿著其界面(即，沿著垂直于序列的定向的方向)的有效[I I O]晶格方向。由于頂部電極42A到42F及44A到44D的特殊形式及相對位置，因此將第一溝道48及第二溝道50相對地定位，使得經由第一溝道48及第二溝道50而將左邊區(qū)域L連接到右邊區(qū)域R的任何直線與所述有效[I T O]晶格方向不對準(例如)達10度或10度以上或者達30度或30度以上，或在頂部電極42A到42F、44A到44D中的一者與襯底之間通過，即，在頂部電極42A到42F、44A到44D中的所述一者的一部分下方通過。
[0062]對頂部電極42A到42F、44A到44D的相對位置及形式的上文所描述約束在使用平面結構12八’、128’、12六”、128”、12六”’、128”’來橫向約束及操縱200^的FQHE液滴46時可是有利的。明確地說，
【發(fā)明者】相信，構造滿足上文所論述約束的頂部電極42A到42F、44A到44D可減小條帶狀態(tài)將(即)在極低溫度及高強度的磁場H下(例如，在大于I的朗道能級填充因子處)形成于液滴46中的可能性。在上述情況下，不期望2DCCG的橫向區(qū)域呈條帶狀態(tài)，這是因為條帶狀態(tài)通常不是FQHE狀態(tài)且因此通常不適合用于表示量子計算機的量子位。
[0063]參考圖3A、4A及5A，平面結構12A’、12A”、12A”’經構造使得經由溝道48、49、50而連接橫向左邊區(qū)域L及右邊區(qū)域R的直線近似地沿著“X”方向定向，所述“X”方向相對于有效[I I O]晶格方向是實質上不對準的。舉例來說，半導體層的有效[I T O]晶格方向可近似地沿著序列的頂部表面且與“X”方向不對準達10度或10度以上或者達30度或30度以上。實際上，所述不對 準可使得所述有效[I T O]晶格方向沿著正交于“X”方向的“y”方向定向。
[0064]參考圖3B、4B及5B，平面結構12B’、12B”、12B”’經構造使得經由中心區(qū)域Cl及C2而將橫向左邊區(qū)域L連接到橫向右邊區(qū)域R的每一直線具有在第二組的溝道門控頂部電極42A到42F中的一者下方通過的分段或與所述有效[I 了 O]晶格方向實質上不對準。在所圖解說明實例中，使溝道門控頂部電極42A到42F中的一些溝道門控頂部電極不對稱地形成，使得連接溝道48、50的直線相對于沿著半導體層的層序列的頂部表面定向的有效[I I O]晶格方向是不對準的。
[0065]每一平面結構12A，到12B，、12A”到12B，，、12A，，，到12B”，還可單獨地控制FQHE液滴46的約束于其中的兩個相對橫向部分。FQHE液滴46的第一橫向部分由界接第一橫向中心區(qū)域Cl的頂部電極42A、42B、44A、44B、42E、42F約束，且FQHE液滴46的第二橫向部分由界接第二橫向中心區(qū)域C2的頂部電極42C、42D、44C、44D、42E、42F約束。第一對橫向約束頂部電極44A、44B可經單獨電壓偏置以實現對FQHE液滴46在第一橫向中心區(qū)域Cl中的部分的橫向上部及下部邊緣的單獨控制。第二對橫向約束頂部電極44C、44D可經單獨電壓偏置以實現對FQHE液滴46在第二橫向中心區(qū)域C2中的部分的橫向上部及下部邊緣的單獨控制。左邊對溝道門控頂部電極42A、42B還可經單獨電壓偏置以實現對第一橫向中心區(qū)域Cl與橫向左邊區(qū)域L之間的溝道48的非2DCCG耗盡的部分的寬度的單獨控制。第二對溝道門控頂部電極42C、42D還可經單獨電壓偏置以實現對第二橫向中心區(qū)域C2與橫向右邊區(qū)域R之間的溝道50的非2DCCG耗盡的部分的寬度的單獨控制。第三對溝道門控頂部電極42E、42F還可經單獨電壓偏置以實現對連接第一中心橫向區(qū)域Cl及第二中心橫向區(qū)域C2的溝道49的非2DCCG耗盡的部分的寬度的單獨控制。
[0066]平面結構12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’、12B”’在每一中心橫向區(qū)域C1、C2中還包
含一或多個頂部集中或點狀電極51、52。當FQHE液滴46橫向約束于2D量子阱中時，每一頂部點狀電極51、52可經單獨電壓偏置以在點狀電極51、52處選擇性地且局部地保持準粒子激發(fā)，例如，復合費米子激發(fā)。舉例來說，在5/2的朗道能級填充因子處，點狀電極可經偏置具有對應于具有電荷e/2或e/4的準粒子激發(fā)的電壓，其中準粒子激發(fā)集中在點狀電極周圍。
[0067]在本文中，頂部點狀電極(例如，電極51或52)是其尖端區(qū)域在操作期間由非2DCCG耗盡的橫向區(qū)域環(huán)繞的電極。舉例來說，橫向區(qū)域可為其中可橫向約束FQHE流體液滴46的一部分的中心區(qū)域Cl及C2的環(huán)狀部分。此些頂部點狀電極具有其面積實質上小于所述環(huán)繞橫向區(qū)域(例如，橫向中心區(qū)域Cl及C2)的面積的指向下的尖端區(qū)域。此點狀電極的尖端區(qū)域的面積可為(例如)此些環(huán)繞橫向區(qū)域的面積的二分之一或小于二分之一或者五分子一或小于五分之一。
[0068]參考圖4A、4B、5A及5B，平面結構12A”、12B”、12A”’及12B”’還包含位于頂部點狀電極51、52之間且接近第三組的中心溝道門控頂部電極42E、42F的遠尖端的一或多個頂部橋接電極54、56。頂部橋接電極54、56經定位以可控制地輔助完成用于準粒子或邊緣激發(fā)在點狀電極51、52之間傳播的第一路徑且還可控制地輔助完成用于準粒子或邊緣激發(fā)在FQHE液滴46的接近第三組經配對溝道門控頂部電極42E、42F的遠尖端的上部邊緣與下部邊緣之間傳播的第二路徑。
[0069]一或多個頂部橋接電極54、56可促進對準粒子或邊緣激發(fā)將在頂部點狀電極51、52之間傳播還是將在FQHE液滴46的接近第三對溝道門控頂部電極42E、42F的上部邊緣與下部邊緣之間傳播的選擇性控制。為在頂部點狀電極51、52之間選擇性地傳送準粒子或邊緣激發(fā)，可將溝道門控頂部電極42E、42F維持在FQHE液滴46的上部邊緣及下部邊緣在其下遠離一或多個頂部橋接電極54、56的電壓。在此狀態(tài)中，準粒子或邊緣激發(fā)可在頂部點狀電極51、52之間隧穿，但通常此激發(fā)最多將具有在FQHE液滴46的接近中心第三對溝道門控頂部電極42E、42F的上部邊緣與下部邊緣之間隧穿的極低可能性。為在FQHE液滴46的接近中心第三對溝道門控頂部電極42E、42F的上部邊緣與下部邊緣之間選擇性地傳送準粒子或邊緣激發(fā)，第三對溝道門控頂部電極42E、42F可經偏置處于FQHE液滴46的上部邊緣及下部邊緣在其下接近頂部橋接電極54、56中的一或多者的電壓。在此狀態(tài)中，準粒子或邊緣激發(fā)可在FQHE液滴46的接近第三對溝道門控頂部電極42E、42F的上部邊緣與下部邊緣之間隧穿，而準粒子或邊緣激發(fā)可具有在頂部點狀電極51、52之間隧穿的極低可能性。
[0070]出于種種原因，頂部橋接電極54、56可有助于在用于準粒子或邊緣激發(fā)傳送的不同路徑之間進行選擇。首先，頂部橋接電極54、56可在于頂部點狀電極51、52之間進行傳送時減小準粒子或邊緣激發(fā)在一個躍遷中隧穿的最大距離。第二，與FQHE液滴46的接近中心第三對溝道門控頂部電極42E、42F的上部邊緣與下部邊緣之間的準粒子或邊緣激發(fā)的隧穿的距離相比，頂部橋接電極54、56的幾何形狀可降低頂部點狀電極51、52之間的準粒子或邊緣激發(fā)的個別隧穿的距離。第三，頂部橋接電極54、56可實現有助于在頂部點狀電極51、52之間傳送準粒子或邊緣激發(fā)的偏置電壓的施加。舉例來說，在此從左到右傳送期間，當準粒子或邊緣激發(fā)在中間頂部橋接電極54處時，左邊頂部橋接電極56可經電壓偏置以產生朝向右邊頂部橋接電極56推動所述激發(fā)的力。此外，當準粒子或邊緣激發(fā)在右邊頂部橋接電極56處時，中間頂部橋接電極54可經電壓偏置以產生朝向右邊頂部點狀電極52推動準粒子或邊緣激發(fā)的力。類似地，在從右到左傳送期間，右邊頂部橋接電極56可經電壓偏置以產生從中間頂部橋接電極54朝向左邊頂部橋接電極56推動準粒子或邊緣激發(fā)的力。此外，當準粒子或邊緣激發(fā)在左邊頂部橋接電極56處時，中間頂部橋接電極54可經電壓偏置以產生朝向左邊頂部點狀電極51推動準粒子或邊緣激發(fā)的力。因此，頂部橋接電極54、56可既有助于在用于傳送準粒子或邊緣激發(fā)的路徑之間進行選擇及/或又有助于減小此些傳送所需的次數。
[0071]圖6A圖解說明圖1的平面結構12的一個實施例12’。平面結構12具有包含晶體半導體襯底26、晶體下部半導體勢壘層28、晶體半導體阱層32、晶體上部半導體勢壘層30、頂部電介質層34及頂部電極36的底部到頂部層序列。晶體半導體勢壘層28、30及阱層32形成2D量子阱。
[0072]2D量子阱結構可為通過遠離半導體阱層32將摻雜劑原子放置(例如)于在半導體勢壘層28、30中深處的一個或兩個薄摻雜劑層(DL)中而摻雜的調制。此垂直分離有助于將2DCCG與摻雜劑原子中的經離子化摻雜劑原子的帶電離子實庫侖屏蔽。摻雜劑層(DL)在半導體阱層32的每一側上的對稱放置還可實現此些離子實與所陷獲2DCCG之間的較大分離，借此實現對2DCCG的所要密度的離子實的較好屏蔽。
[0073]頂部電介質層34可使頂部電極36與下伏半導體層序列電絕緣及/或可在制作期間減小頂部半導體表面35上的陷阱及其它集中缺陷的產生。頂部電極36(例如，各種已論述實施例的電極42A到42F、44A到44D)的平坦部分可置于電介質層34的上部子層上，且頂部電極36 (例如，各種已論述實施例的電極51、52、54、56)的點狀突出部可突出到蝕刻到電介質層34的上部及/或下部子層中的孔中。
[0074]圖6B圖解說明圖6A的平面結構12’的特定實施例12”中的半導體合金的垂直量變曲線。特定實施例12”是基于外延生長的AlGaAs/GaAs/AlGaAs2D量子阱結構。
[0075]在特定實施例12”中，晶體襯底26包含GaAs晶片襯底及外延生長于GaAs晶片襯底的(001)晶格表面上(即，沿著GaAs晶片襯底的[O O I]晶格方向生長)的GaAs及/或AlAs層的緩沖區(qū)堆疊。GaAs晶片襯底的(001)晶格表面可在于其上外延生長緩沖區(qū)堆疊之前通過標準技術而拋光及/或清潔。緩沖區(qū)堆疊可包含第一厚GaAs層(例如，大約50nm到200nm)及其上的交替的GaAs及AlAs層堆疊(例如,GaAs及AlAs單層及/或雙層的大約600次重復)。此緩沖區(qū)堆疊可減小制作于其上的2D量子阱上的GaAs晶片襯底中的表面缺陷的不期望效應及/或可減小到襯底26的載子泄漏。
[0076]在特定實施例12”中，晶體半導體層28、32、30的層序列外延生長于晶體襯底26的
(001)晶格表面27上。所述層序列的不同層28、32、30具有通過在相關外延生長期間變化氣體混合物中的鋁(Al)及鎵(Ga)的相對百分比而產生的不同半導體合金組成。各種合金具有以下形式的合金:AlxGa(1_x)As，其中Al的濃度在層之間變化且固定導帶的下部邊緣的能量。明確地說，相信，導帶的下部邊緣的高度在此些合金中的Al的濃度方面是單調的。因此，圖6B的Al百分比在質量上圖解說明2D量子阱的各種半導體層中的電子的位能形勢。
[0077]在特定實施例12”中，下部半導體勢壘層28是外延生長于晶體襯底26上的多層。對于此多層，底部到頂部結構為:AlxGa(1_x)As層HB1，其具有大約0.323的合金參數x及大約IlOnm的厚度；SiAs的薄η型摻雜劑層(DL)，例如，一個或幾個單層的一小部分；AlxGa(1_x)As層HB2，其具有大約0.323的合金參數x及大約42nm的厚度；及Alx, Ga(1_x, ,As層LB，其具有大約0.243的合金參數X’及大約48nm的厚度。
[0078]下部Si摻雜層DL可包含(例如)大約每平方厘米IO12個摻雜劑原子。
[0079]在特定實施例12”中，晶體半導體阱層32是具有大約24nm的寬度的實質上未摻雜GaAs層。晶體半導體阱層32外延生長于晶體下部半導體勢壘層28上。
[0080]在特定實施例12”中，晶體上部半導體勢壘層30是外延生長于晶體半導體阱層32上的多層。晶體上部半導體層30是與晶體下部半導體層28實質上成鏡像的多層。對于此多層，底部到頂部結構為:Alx，Ga(1_x，)As層LB，其具有大約0.243的合金參數X’及大約48nm的厚度；AlxGa(1_x)As層HB2，其具有大約0.323的合金參數x及大約42nm的厚度；SiAs的薄η型摻雜劑層(DL)，例如，一個或幾個單層的一小部分；&AlxGa(1_x)As層ΗΒ1，其具有大約0.323的合金參數X及大約IlOnm的寬度。上部η型摻雜層DL與半導體阱層32垂直地分離，使得摻雜劑原子的離子實較少擾亂垂直地約束于2D量子阱的2DCCG。
[0081]在實例實施例中，上部Si摻雜層DL還可具有大約每平方厘米IO12個摻雜劑原子。但在上部Si摻雜層DL中，摻雜劑原子密度可為下部Si摻雜層DL中的摻雜劑原子密度的值的大約3倍到大約4倍，這是因為上部Si摻雜層DL還可貢獻通過與在2D半導體阱結構12”的所暴露頂部表面35處的原子組合而中和在其處的懸掛鍵的電荷載子。
[0082]晶體半導體阱層32可位于至少半導體層的層序列的頂部表面35下方大約200nm處(例如)以減小所陷獲2DCCG與所述頂部表面35上的集中缺陷之間的不期望相互作用。
[0083]在特定實施例12”中，頂部電介質層34可為非晶電介質層。頂部電介質層34的一個實施例是具有大約40nm或小于40nm的厚度的氮化硅層。[0084]在特定實施例12”中，操作頂部電極36可為(例如)經由常規(guī)沉積及光刻圖案化過程而形成的經圖案化金屬層。舉例來說，操作頂部電極36可在抗蝕劑經圖案化襯底上通過鋁的蒸鍍沉積形成達大約60nm的厚度，接著剝離所述抗蝕劑及過量鋁。
[0085]在圖6A到6B的半導體層序列的替代實施例中，AlxGa(1_x)As合金中的鋁百分比可在鄰近于或環(huán)繞DL層的層中具有不同值。此些不同鋁百分比可致使經離子化摻雜劑原子的電位具有較長尾部。相信，所述較長尾部常規(guī)地有助于使與此些經離子化摻雜劑原子相關聯的隨機分布電荷離開原位，借此有可能與2DCCG空間平滑相互作用。
[0086]美國專利7，960, 714及/或美國專利申請公開案20100308302中可能描述半導體層的可適合于圖1的平面結構12的其它垂直層序列及/或制作及使用此些層序列的方法。舉例來說，此些層結構可具有位于阱層32與摻雜劑層DL之間的窄屏蔽量子阱。此段落中所引用的美國專利及美國專利申請公開案以全文引用的方式并入本文中。
[0087]圖7示意性地圖解說明用于操作具有2D量子阱結構的裝置的方法70，其中2D量子阱結構具有中心橫向區(qū)域、不相交外部橫向區(qū)域及將中心橫向區(qū)域連接到外部橫向區(qū)域的溝道，例如，如在圖3A、3B、4A、4B、5A及5B中。中心橫向區(qū)域、外部橫向區(qū)域及溝道在操作期間形成2D量子阱結構的連續(xù)非2DCCG耗盡的部分，且這些區(qū)域及溝道通過橫向界接頂部電極組而界定，此在操作期間可耗盡2DCCG的2D量子阱結構的其余橫向區(qū)域。2D量子阱結構形成于位于襯底的平面頂部表面上方或直接在其上的半導體層序列中。頂部電極組經構造以減小在操作期間于中心橫向區(qū)域中形成2DCCG的條帶狀態(tài)的可能性，例如，如在圖 2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A 及 5B 的平面結構 12A 到 12C、12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’及12B”’中。明確地說，頂部電極經構造使得經由溝道而連接2D量子阱結構的外部橫向區(qū)域的直線在操作期間在頂部電極中的一者與襯底之間通過(即，橫穿2DCCG耗盡的區(qū)域)或與2D量子阱結構的有效[I I O]晶格方向實質上不對準。在不對準情形中，2D量子阱結構可(例如)近似垂直于其半導體層的[O O I]晶格方向而延伸。
[0088]方法70涉及用于在大約5/2、12/5或7/2的朗道能級填充因子處初始化及操縱FQHE液滴(例如，圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的FQHE液滴46)的拓撲狀態(tài)的步驟。舉例來說，可執(zhí)行方法70以存儲及/或改變量子計算機中的量子位的狀態(tài)，其中量子位用FQHE液滴來表示。
[0089]方法70包含在大約5/2、12/5或7/2的朗道能級填充因子v處準備半導體層序列的2D量子阱中的2DCCG的橫向約束的FQHE液滴，例如，FQHE液滴46 (步驟72)。FQHE液滴橫向約束于中心橫向區(qū)域、外部橫向區(qū)域及連接半導體層序列中的這些橫向區(qū)域的溝道。執(zhí)行準備步驟72使得經由溝道而連接外部橫向區(qū)域的每一直線橫穿2DCCG耗盡的區(qū)
域或與半導體層序列的有效[I T O]晶格方向不對準。在不對準情形中，有效[I T O]晶格方
向可大約垂直于層序列的定向。
[0090]準備步驟72包含冷卻2DCCG及使2DCCG經受適當強度正常定向的磁場H，例如，在具有圖1的設置10的情況下。
[0091]準備步驟72涉及通過對位于半導體層序列的橫向界接部分上方的頂部電極(例如，圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的頂部電極42A到42F、44A到44D)進行電壓偏置而橫向約束2DCCG的FQHE液滴。所述橫向約束包含耗盡2D量子阱結構的橫向于2DCCG將橫向約束于其中的中心橫向區(qū)域的區(qū)域。舉例來說，橫向約束行為涉及耗盡位于2DCCG的FQHE液滴46在圖3A、3B、4A、4B、5A及5B中的中心區(qū)域Cl及C2以及溝道48、49、50中的部分周圍的那些區(qū)域。頂部電極可通過電介質層(例如，圖6A的電介質層34)與具有2D量子阱結構的半導體層序列電絕緣。橫向約束2DCCG的FQHE液滴的步驟還可包含通過使所述所約束FQHE液滴的邊緣的一部分電荷耗盡而適當設定2DCCG的所約束部分的密度P及填充因子V，及適當設定磁場強度H。在FQHE液滴中，填充因子V由(例如)phc/(|eH I)給出，其中h為普朗克常數，e為電子電荷，c為光速，且P為2DCCG的橫向約束的部分中(例如，圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的橫向中心腔Cl及C2中)的電荷載子的密度。
[0092]方法70包含對FQHE液滴的第一橫向約束的部分(即,位于中心橫向區(qū)域中的第一者中的部分)上方的第一電極進行電壓偏置以在第一電極處(例如，在圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的第一橫向中心區(qū)域Cl中的點狀電極51處)局部地陷獲e/2或其它適合電荷準粒子激發(fā)(步驟74)。電壓偏置步驟74可(例如)將FQHE裝置初始化到由FQHE液滴表示的量子位的第一狀態(tài)。
[0093]方法70可任選地包含檢查及確定由在第一電極處(例如，在圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的第一中心橫向區(qū)域Cl中的點狀電極51處)局部地陷獲帶電準粒子激發(fā)的步驟74產生的FQHE狀態(tài)的值(步驟76)。檢查或確定的此任選步驟74可通過測量與在所約束FQHE液滴的上部邊緣與下部邊緣之間反向散射的邊緣激發(fā)相關聯的縱向傳導性而執(zhí)行。明確地說，不同反向散射的邊緣激發(fā)狀態(tài)之間的干擾將取決于邊緣激發(fā)在FQHE液滴的其中集中e/2或其它適合電荷準粒子激發(fā)的橫向約束的部分周圍是傳播還是不傳播。(例如)在物理評論快報(Physical Review Letters)(第 94 卷(2005)，166802-1 到 166802-4 頁)處所發(fā)表的文章中可能描述一些此類測量。所述文章以全文引用的方式并入本文中。
[0094]方法70包含將e/4或其它適合電荷準粒子激發(fā)從第一電極傳送到位于FQHE液滴的第二橫向遠端部分(即，FQHE液滴的位于第二中心橫向區(qū)域中的部分)上方的第二電極(步驟78)。舉例來說，第二電極可為圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的第二橫向中心區(qū)域C2中的頂部點狀電極52。傳送步驟78可包含改變第一電極及/或第二電極的電壓偏置。傳送步驟78使e/4或其它適合電荷準粒子激發(fā)離開第一電極處。所傳送e/4或其它適合電荷準粒子可(例如)保持在圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的頂部點狀電極51、52中的另一者的尖端下方。
[0095]傳送步驟78可包含改變一或多個頂部橋接電極(例如，圖4A、4B、5A及5B的頂部橋接電極54、56中的一或多者)處的偏置電壓以輔助傳送e/4或其它適合電荷激發(fā)。舉例來說，e/4或其它適合電荷準粒子可在其傳送部分期間由此些橋接電極54、56暫時保持或推動。
[0096]接著，方法70包含改變控制第一電極與第二電極之間的溝道的2DCCG耗盡的溝道門控頂部電極中的一或多者的電壓偏置，使得e/4或其它適合電荷準粒子或邊緣激發(fā)在FQHE液滴的上部邊緣與下部邊緣之間反向散射(步驟80)。舉例來說，步驟80可涉及調整圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的控制溝道49中的FQHE液滴46的寬度的溝道門控頂部電極44E、44F的電壓偏置。這些溝道門控頂部電極44E、44F的電壓偏置的改變可影響邊緣激發(fā)在圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的FQHE液滴46的上部邊緣A-C與下部邊緣B-D之間的反向散射。[0097]在步驟80處，反向散射e/4或其它適合電荷準粒子或邊緣激發(fā)涉及在保持于第一電極及第二電極中的一者處的集中e/4或其它適合電荷準粒子激發(fā)中的一者周圍的其的傳播。但步驟80不涉及在保持于第一電極及第二電極中的另一者處的集中e/4或其它適合電荷準粒子激發(fā)周圍的所述準粒子或邊緣激發(fā)的傳播。舉例來說，反向散射可發(fā)生于圖3A、3B、4A、4B、5A及5B的FQHE液滴46的接近溝道門控頂部電極42E及42F的上部邊緣及下部邊緣的部分之間。
[0098]在步驟80處，可通過操作一或多個頂部橋接電極(例如，圖4A、4B、5A及5B的頂部橋接電極54、56)而輔助e/4或其它適合電荷準粒子在FQHE液滴的兩個邊緣之間的傳送。此傳送還可改變(例如)由FQHE裝置存儲的量子位的狀態(tài)。
[0099]圖的硬件設置10的一些實施例可形成具有2D量子阱結構陣列的量子計算機。在此量子計算機中，所述陣列的每一元件操作為量子計算機的個別量子位。個別量子位元件可操作為常規(guī)量子計算機的量子位。在此量子計算機中，每一量子位元件可包含半導體層序列的橫向部分及頂部電極組，如在圖3A、3B、4A、4B、5A及/或5B的平面結構12A’、12B’、12八”、128”、12么”’、128”’中所圖解說明。在此量子計算機中，個別量子位元件還可包含用于操作其頂部門的可控制電壓偏置源，例如，如在圖7的方法70中所描述。明確地說，此些頂部電極可單獨地操作以執(zhí)行FQHE液滴的一部分的初始化、檢查及狀態(tài)改變的操作，如關于方法70所描述。
[0100]本發(fā)明打算包含所屬領域的技術人員根據所述說明、各圖及權利要求書將顯而易見的其它實施例。
【權利要求】
1.一種設備，其包括: 襯底，其具有平面頂部表面； 晶體半導體層序列，其位于所述平面表面上且在其中具有二維量子阱； 第一組電極，其位于所述序列上方、界接所述序列的橫向區(qū)域的相對側且為可控制的，以使所述量子阱的非耗盡部分的寬度沿著所述頂部表面變化； 第二組電極，其位于所述序列上方、界接所述序列的所述橫向區(qū)域與第一及第二鄰近橫向區(qū)之間的第一及第二溝道且為可控制的，以使所述量子阱的非耗盡分段的寬度變化；且 其中所述電極經定位成使得經由所述溝道而連接所述第一及第二橫向區(qū)的直線在所述電極中的一者與所述襯底之間通過或與所述序列的有效[I I O]晶格方向不對準。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述電極經定位成使得所述直線在所述電極中的一者與所述襯底之間通過。
3.根據權利要求1所述的設備，其中所述序列包含一組II1-V族半導體合金。
4.根據權利要求3所述的設備，其中所述序列沿著所述半導體層的實際[OO I]晶格方向定向且所述有效[I TO]晶格方向是所述層的實際[I TO]晶格方向。
5.根據權利要求1所述的設備，其中另一組所述電極在所述序列上方且鄰近所述序列的第二橫向區(qū)域的相對側而定位，所述兩個橫向區(qū)是不相交的，所述電極中的一些電極為可控制的，以使溝道的非耗盡分段沿著所述頂部表面的寬度在所述量子阱中在所述兩個橫向區(qū)域之間變化。
6.根據權利要求5所述的設備，其進一步包括位于所述兩個橫向區(qū)域中的每一者上方的至少一個點狀電極。
7.一種方法，其包括: 將2DCCG的FQHE液滴約束于半導體層序列的中心及外部橫向區(qū)域以及所述半導體層序列的溝道，所述溝道將所述中心橫向區(qū)域連接到所述外部橫向區(qū)域，其中經由所述溝道而連接所述外部橫向區(qū)域的每一直線橫穿2DCCG耗盡的區(qū)域或與所述半導體層序列的有效[I T O]二咯方向不對準；及 對位于所述FQHE液滴在所述中心區(qū)域中的一者中的一部分上方的第一電極進行電壓偏置以在其中局部地陷獲帶電準粒子激發(fā)。
8.根據權利要求7所述的方法，其進一步包括: 將另一帶電準粒子激發(fā)從所述第一電極傳送到位于所述FQHE液滴的橫向遠端第二部分上方的第二電極，所述橫向遠端部分位于所述中心橫向區(qū)域中的另一者中。
9.根據權利要求8所述的方法，其進一步包括: 接著改變控制位于所述第一電極與所述第二電極之間的溝道的頂部電極的電壓偏置，使得準粒子或邊緣激發(fā)在所述FQHE液滴的兩個邊緣之間反向散射。
10.根據權利要求7所述的方法，其進一步包括確定由所述局部陷獲步驟產生的FQHE狀態(tài)的值。
【文檔編號】H01L21/8247GK103959464SQ201280059306
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年11月8日 優(yōu)先權日:2011年12月2日
【發(fā)明者】羅伯特·L·威力特 申請人:阿爾卡特朗訊