Interfacing nanomechanics with multi-gated suspended carbon nanotube quantum circuits

Kohlenstoffnanoröhren (CNT) sind durch ihren eindimensionalen Aufbau sowie ihre geringe Dichte bei gleichzeitig hohem Elastizitätsmodul eine einzigartige, vielseitig anwendbare Plattform für nanoelektromechanische System (NEMS). Die strukturellen Eigenschaften sorgen für eine Frequenz der mechanischen Schwingungen im Bereich von einigen hundert MHz, was sie experimentell gut kontrollierbar macht und energetisch ähnlich zur thermischen Energie bei kryogenen Temperaturen. Die Kombination aus hoher Güte der mechanischen Schwingung und Verstimmbarkeit der Elektronenergielevel mittels elektrischer Felder macht CNTs zu einem geeigneten System für hochpräzise Messungen beispielsweise als Sensor oder Qubitplattform. ... mehrEin nach wie vor großes Problem bleibt jedoch ihre Integration in komplexere Schaltkreise.
In dieser Arbeit haben wir durch sorgfältig entwickelte Nanofabrikationsprozesse sehr saubere und frei hängende CNTs hergestellt, die durch lokale Gates elektrisch steuerbar sind. Die CNTs wurden dabei als letzter Schritt in zuvor gefertigte Nano-Schaltkreise integriert, entweder durch Gasphasenabscheidung direkt auf den Elektroden oder durch eine Stempeltechnik bei der die CNT auf einem separaten Chip gewachsen wurde und in einem Nanomontageprozess auf den Schaltkreis übertragen wird. Die lokalen Gate Elektroden erlauben eine präzise Modifikation des elektrischen Potentials und dadurch die Erzeugung von bis zu drei Quantenpunkten in Reihenschaltung in der CNT. Die Kopplung dieser Quantenpunkte and die mechanischen Schwingungsmoden eröffnet die Möglichkeit der Kontrolle der Elektron-Phonon Wechselwirkung in der CNT.
Die frei hängenden CNTs sind zusätzlich geeignete Plattformen für die Auslese des Spin-Zustandes eines Einzelmolekülmagnetens (SMM) durch Spin-Phonon-Kopplung. SMMs können einen Spin-Qudit formen und die CNT eröffnet die Möglichkeit einer kontrollierten Auslese durch Messungen der elektrischen Leifähigkeit.

Carbon nanotubes (CNTs) are a unique and versatile platform for nanoelectromechanical systems (NEMS) due to their one-dimensional structure alongside a low mass density and large Young's modulus. This pushes their mechanical bending mode resonance frequencies in the range of hundreds of MHz, which is an experimentally well accessible regime and energetically comparable to the thermal energy at cryogenic temperatures. Combining their electrically tunable conduction behaviour and the large mechanical quality factor, they are suited for high sensitivity experiments acting e.g. ... mehras a mass sensor or a host for a qubit. However, their integration into complex circuits remains a challenge up to date.

In this work, we realised ultra-clean suspended CNTs that are locally tunable via multiple gate electrodes by sophisticated nanofabrication, where the CNT is integrated into a priorly fabricated metal-circuit in the last fabrication step. This is done either by chemical vapour deposition of the CNT on-chip or with a stamping process depositing a CNT grown on a separate chip onto the metal electrodes using a nano-assembly technique. The electric potential along the CNT can be modified precisely using local gates, allowing to induce up to three quantum dots in series. The coupling of these quantum dots with mechanical modes enables the realisation of complex experimental schemes making use of the adjustable electron-phonon interaction.
Besides the realisation of spin and charge qubits, mechanical qubits or phononic ground state cooling have been proposed in this type of device. Additionally, they are suitable platforms for spin-state read-out of a single-molecule magnet (SMM). SMMs can be imagined as a nanoscale magnet consisting of a single spin embedded in an organic ligand shell. They can behave as spin-qudits and the CNT could offer a controllable qudit readout using electronic transport measurements, based on magnetic flux-coupling or spin-phonon coupling.