In this work, we theoretically investigate hyperfine-induced effects on the spin-echo dynamics of a heavy hole in a quantum dot. We consider an in-plane applied magnetic field perpendicular to fluctuations arising from the hyperfine interaction, which drives the system into a motional averaging regime when the relevant (hole or nuclear) Zeeman energy scale exceeds the amplitude of hyperfine-induced fluctuations in the Overhauser field. For the parameters in Ref. [1], this system enters a motional averaging regime at moderate magnetic fields of the order of 1 T. In this regime, rapid spin precession about the external field effectively averages the out-of-plane fluctuations to zero, enabling the complete suppression of spin-echo envelope decay due to hyperfine coupling. We also predict the coherence dynamics to be strongly anisotropic, a property relevant to the discussion of electric-field-induced fluctuations currently limiting coherence times in single hole-spin experiments[2, 3]. More precisely, we find an alternative set of initialization and π-rotation axes which push the effects of electric-field-induced fluctuations out to very long timescales of the order of seconds for typical experimental parameters[2]. The anisotropy of this system also leads to counter-intuitive behaviour of the spin purity, an observable which quantifies the degree of spin-qubit polarization remaining after entangling with an environment for some time t. We find the spin purity to be maximally preserved when initializing along the hyperfine-induced fluctuations, in a superposition of Zeeman eigenstates. These results provide further evidence of the robustness of heavy-hole spin qubits, and pave the way for prolonging hole-spin coherence by optimizing the geometry of the system. / Dans ce mémoire, nous étudions les effets de l'interaction hyperfine sur l'écho de spin d'un trou lourd localisé dans une boîte quantique. Nous considérons l'application d'un champ magnétique perpendiculaire aux fluctuations causéespar l'interaction hyperfine, qui entraîne le système dans un régime de moyenne motionnelle lorsque l'énergie Zeeman pertinente (du trou ou des noyaux nucléaires) dépasse l'amplitude des fluctuations dans le champ de Overhauser. Avec les paramètres utilisés dans la Réf. [1], le régime de moyenne motionnelle est atteint pour un champ magnétique de l'ordre de 1 T. Dans ce régime, la précession rapide du spin autour du champ magnétique externe a l'effet d'une moyenne sur les fluctuations hyperfines, ce qui permet la suppression complète de la décroissance de l'enveloppe du signal de l'écho de spin. Nous prédisons aussi une anisotropie présente dans la dynamique de cohérence qui serait pertinente à la discussion des fluctuations du champ électrique, fluctuations qui limitent les temps de cohérence dans des expériences actuelles[2, 3]. Plus précisément, nous trouvons des directions d'initialisation et de rotation qui repoussent les effets des fluctuations électriques jusqu'à des échelles de temps de l'ordre de plusieurs secondes pour des paramètres expérimentaux typiques[2]. L'anisotropie du système est également responsable d'un comportement inattendu de la pureté du spin, qui quantifie la polarisation restante du qubit de spin suivant l'enchevêtrement avec un environnement pendant un temps t. Nous montrons que la pureté du spin est préservée au maximum pour une initialisation parallèle aux fluctuations hyperfines, dans une superposition d'états propres Zeeman. Ces résultats fournissent une preuve supplémentaire du potentiel des qubits de spin de trou lourd, et permettent de prolonger leur cohérence en optimisant la géométrie du système.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.123115 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Wang, Xiaoya |
| Contributors | William Coish (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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