[发明专利]一种极低温下半导体量子点低噪测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种极低温下半导体量子点低噪测量系统，属于量子计算实验物理学领域。

背景技术

在量子计算实验物理学领域，特别是基于半导体或超导结构的物理实验中，需要探测的物理量都极其微弱。以电流为例，一般为几个到十几个皮安（pA，10E-12A），因此对实验中的噪声要求极小，能否尽可能的降噪，是实验成败的一个关键要素。同时，随着两比特实验的推进，对样品的测量需要更多的电极。以GaAs半导体异质结两比特量子点为例，典型的样品已经需要24根引线（直流电控制和测量部分），由于极低温实验仪器价格昂贵，单个仪器的负载不能无限提高，因此日益增长的需求对实验设备的使用效率提出了挑战。

因此，至少有两个基本问题需要解决：（1）样品所在环境温度和热噪声。该领域对于极低温设备和极低温环境的需求非常高。由于极低温设备结构复杂且在实验室级别难以自制，通常实现这一条件的方法是购买商用极低温制冷机。目前一个先进的制冷机型号是Oxford公司生产的Triton系列稀释制冷机。该型号核心参数为：混合室(温度最低处)温度20mK。该型号制冷机无需液He作为制冷机，结构较以往产品更为简单，放置样品空间较大。但是价格昂贵，占用的空间也不小。故而当前在如上所述的试验中，一个基本的要求在于：希望实现对制冷机效率利用的最大化，在制冷机中放置更多的样品；同时，放置更多的样品意味着引入更多的控制/测量引线，所有引线的一端在样品上，另一端最终与室温相连。引线越多，稀释制冷机的热负载越大，对核心参数的偏离也越大。因此需要解决的一个问题是，在于在对混合室温度无较大影响（温度升高不超过10mK，不引入更大热噪声）的情况下，设计一种新的热沉结构，实现对稀释制冷机制冷效率利用的最大化。（2）电路噪声。测量和控制设备的输出端口、线路两端的温度梯度（室温-接近绝对零度）、线路焊接处不同金属材料，都有可能带来电路噪声。其中高频噪声会使样品中电子温度升高，同时由于实验中需要施加高频信号（几到几十个GHz）来进行操作，直接干扰了操作脉冲信号。考虑到该类实验需要的严格的信号质量，因此很有必要通过设计合适的滤波电路来降噪。同时，由于核心电极的宽度最小只有20nm，因此在将样品从制作间向稀释制冷机转移安装的过程中轻微的脉冲放电或者电压源的突然掉电，完全可能将电极击穿，需要降噪电路同时起到保护电路的作用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种极低温下半导体量子点低噪测量系统，保证成本昂贵的实验设备工作效率最大的前提下，尽可能降低了热噪声和电路噪声。

本发明的技术解决方案：一种极低温下半导体量子点低噪测量系统，包括：测量和控制线1、热沉部分、铜粉滤波器7和PCB板载滤波器8；所述热沉部分由稀释制冷机PT1层线夹热沉2、稀释制冷机PT2层线夹热沉3、稀释制冷机Still层线夹热沉4、稀释制冷机100mK层线夹热沉5、稀释制冷机MC层线夹热沉6五级热沉顺序级联组成；测量和控制线1进入热沉部分后依次通过稀释制冷机PT1层线夹热沉2、稀释制冷机PT2层线夹热沉3、稀释制冷机Still层线夹热沉4、稀释制冷机100mK层线夹热沉5和稀释制冷机MC层线夹热沉6后至稀释制冷机混合室冷板，经过稀释制冷机混合室最后一级冷板后焊接在D型接口上，D型接口与铜粉滤波器7的D型接口入口相连；测量和控制线1再经过铜粉滤波器7后，由铜粉滤波器7的D型接口出口离开，测量和控制线1的接口进入PCB板载滤波器8，经过PCB板载滤波器8后，测量和控制线1连接到半导体量子点相应的电极上。

所述每层热沉均为多层冷板构成，延长热交换线路的长度，它包括主冷板9、两块盖板15、中间盖板19和固定底板10；固定底板10与主冷板9底部连接固定；在主冷板9的两面分别开有主冷板布线槽11，测量和控制线1放置在一面的主冷板布线槽11中，将一块盖板15盖在主冷板9上并贴合，从而使测量和控制线1紧密夹在主冷板9和盖板15中；将测量和控制线1弯折越过主冷板9的顶部后，继续固定在主冷板9的另一面的主冷板布线槽11中，用中间板19的一侧盖在主冷板9的另一侧面上并贴合；将测量和控制线1从主冷板9的底部过主冷板底部过线槽14中弯折后，固定在中间盖板19带中间盖板布线槽18的一面，用第二块盖板15盖在中间盖板19上并贴合，测量和控制线1在热沉部分每层的主冷板，盖板，中间盖板中廻行穿过，然后上述各板之间通过螺钉紧固连接。

所述主冷板9、盖板15、中间盖板19均需要镀金，镀金厚度20um以上，以增加热导性和表面平整性。