We demonstrate dispersive readout of individual charge states in a gate-defined few-electron quantum dot in bilayer graphene. We employ a radio frequency reflectometry circuit, where an LC resonator with a resonance frequency close to 280 MHz is directly coupled to an Ohmic contact of the quantum dot device. The detection scheme based on changes in the quantum capacitance operates over a wide gate-voltage range and allows us to probe excited states down to the single-electron regime. Crucially, the presented sensing technique avoids the use of an additional, capacitively coupled quantum device such as a quantum point contact or single electron transistor, making dispersive sensing particularly interesting for gate-defined graphene quantum dots.

1.
J. M.
Elzerman
,
R.
Hanson
,
J. S.
Greidanus
,
L. H.
Willems van Beveren
,
S.
De Franceschi
,
L. M. K.
Vandersypen
,
S.
Tarucha
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Phys. Rev. B
67
,
161308
(
2003
).
2.
T.
Ihn
,
S.
Gustavsson
,
U.
Gasser
,
B.
Küng
,
T.
Müller
,
R.
Schleser
,
M.
Sigrist
,
I.
Shorubalko
,
R.
Leturcq
, and
K.
Ensslin
,
Solid State Commun.
149
,
1419
(
2009
).
3.
R. J.
Schoelkopf
,
P.
Wahlgren
,
A. A.
Kozhevnikov
,
P.
Delsing
, and
D. E.
Prober
,
Science
280
,
1238
(
1998
).
4.
D. J.
Reilly
,
C. M.
Marcus
,
M. P.
Hanson
, and
A. C.
Gossard
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
162101
(
2007
).
5.
J. M.
Elzerman
,
R.
Hanson
,
L. H.
Willems van Beveren
,
B.
Witkamp
,
L. M. K.
Vandersypen
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Nature
430
,
431
(
2004
).
6.
C.
Barthel
,
M.
Kjærgaard
,
J.
Medford
,
M.
Stopa
,
C. M.
Marcus
,
M. P.
Hanson
, and
A. C.
Gossard
,
Phys. Rev. B
81
,
161308
(
2010
).
7.
J. R.
Prance
,
Z.
Shi
,
C. B.
Simmons
,
D. E.
Savage
,
M. G.
Lagally
,
L. R.
Schreiber
,
L. M. K.
Vandersypen
,
M.
Friesen
,
R.
Joynt
,
S. N.
Coppersmith
, and
M. A.
Eriksson
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
046808
(
2012
).
8.
C.
Volk
,
A.
Chatterjee
,
F.
Ansaloni
,
C. M.
Marcus
, and
F.
Kuemmeth
,
Nano Lett.
19
,
5628
(
2019
).
9.
J.
Yoneda
,
K.
Takeda
,
T.
Otsuka
,
T.
Nakajima
,
M. R.
Delbecq
,
G.
Allison
,
T.
Honda
,
T.
Kodera
,
S.
Oda
,
Y.
Hoshi
,
N.
Usami
,
K. M.
Itoh
, and
S.
Tarucha
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
102
(
2018
).
10.
T. F.
Watson
,
S. G. J.
Philips
,
E.
Kawakami
,
D. R.
Ward
,
P.
Scarlino
,
M.
Veldhorst
,
D. E.
Savage
,
M. G.
Lagally
,
M.
Friesen
,
S. N.
Coppersmith
,
M. A.
Eriksson
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Nature
555
,
633
(
2018
).
11.
D. M.
Zajac
,
A. J.
Sigillito
,
M.
Russ
,
F.
Borjans
,
J. M.
Taylor
,
G.
Burkard
, and
J. R.
Petta
,
Science
359
,
439
(
2018
).
12.
C.-H.
Huang
,
C.-H.
Yang
,
C.-C.
Chen
,
A. S.
Dzurak
, and
H.-S.
Goan
,
Phys. Rev. A
99
,
042310
(
2019
).
13.
K. D.
Petersson
,
C. G.
Smith
,
D.
Anderson
,
P.
Atkinson
,
G. A. C.
Jones
, and
D. A.
Ritchie
,
Nano Lett.
10
,
2789
(
2010
).
14.
J. I.
Colless
,
A. C.
Mahoney
,
J. M.
Hornibrook
,
A. C.
Doherty
,
H.
Lu
,
A. C.
Gossard
, and
D. J.
Reilly
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
046805
(
2013
).
15.
M. F.
Gonzalez-Zalba
,
S.
Barraud
,
A. J.
Ferguson
, and
A. C.
Betz
,
Nat. Commun.
6
,
6084
(
2015
).
16.
S. J.
Chorley
,
J.
Wabnig
,
Z. V.
Penfold-Fitch
,
K. D.
Petersson
,
J.
Frake
,
C. G.
Smith
, and
M. R.
Buitelaar
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
036802
(
2012
).
17.
M.
Urdampilleta
,
D. J.
Niegemann
,
E.
Chanrion
,
B.
Jadot
,
C.
Spence
,
P.-A.
Mortemousque
,
C.
Bäuerle
,
L.
Hutin
,
B.
Bertrand
,
S.
Barraud
,
R.
Maurand
,
M.
Sanquer
,
X.
Jehl
,
S.
De Franceschi
,
M.
Vinet
, and
T.
Meunier
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
737
(
2019
).
18.
A.
West
,
B.
Hensen
,
A.
Jouan
,
T.
Tanttu
,
C.-H.
Yang
,
A.
Rossi
,
M. F.
Gonzalez-Zalba
,
F.
Hudson
,
A.
Morello
,
D. J.
Reilly
, and
A. S.
Dzurak
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
437
(
2019
).
19.
G.
Zheng
,
N.
Samkharadze
,
M. L.
Noordam
,
N.
Kalhor
,
D.
Brousse
,
A.
Sammak
,
G.
Scappucci
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
742
(
2019
).
20.
B.
Trauzettel
,
D. V.
Bulaev
,
D.
Loss
, and
G.
Burkard
,
Nat. Phys.
3
,
192
(
2007
).
21.
L.
Wang
,
I.
Meric
,
P. Y.
Huang
,
Q.
Gao
,
Y.
Gao
,
H.
Tran
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
L. M.
Campos
,
D. A.
Muller
,
J.
Guo
,
P.
Kim
,
J.
Hone
,
K. L.
Shepard
, and
C. R.
Dean
,
Science
342
,
614
(
2013
).
22.
H.
Overweg
,
H.
Eggimann
,
X.
Chen
,
S.
Slizovskiy
,
M.
Eich
,
R.
Pisoni
,
Y.
Lee
,
P.
Rickhaus
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
V.
Fal'ko
,
T.
Ihn
, and
K.
Ensslin
,
Nano Lett.
18
,
553
(
2018
).
23.
L.
Banszerus
,
B.
Frohn
,
T.
Fabian
,
S.
Somanchi
,
A.
Epping
,
M.
Müller
,
D.
Neumaier
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
F.
Libisch
,
B.
Beschoten
,
F.
Hassler
, and
C.
Stampfer
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
177701
(
2020
).
24.
M.
Eich
,
R.
Pisoni
,
H.
Overweg
,
A.
Kurzmann
,
Y.
Lee
,
P.
Rickhaus
,
T.
Ihn
,
K.
Ensslin
,
F.
Herman
,
M.
Sigrist
,
K.
Watanabe
, and
T.
Taniguchi
,
Phys. Rev. X
8
,
031023
(
2018
).
25.
A.
Kurzmann
,
M.
Eich
,
H.
Overweg
,
M.
Mangold
,
F.
Herman
,
P.
Rickhaus
,
R.
Pisoni
,
Y.
Lee
,
R.
Garreis
,
C.
Tong
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
K.
Ensslin
, and
T.
Ihn
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
026803
(
2019
).
26.
L.
Banszerus
,
A.
Rothstein
,
T.
Fabian
,
S.
Möller
,
E.
Icking
,
S.
Trellenkamp
,
F.
Lentz
,
D.
Neumaier
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
F.
Libisch
,
C.
Volk
, and
C.
Stampfer
,
Nano Lett.
20
,
7709
(
2020
).
27.
L.
Banszerus
,
B.
Frohn
,
A.
Epping
,
D.
Neumaier
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
C.
Stampfer
,
Nano Lett.
18
,
4785
(
2018
).
28.
L.
Banszerus
,
S.
Möller
,
E.
Icking
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
C.
Volk
, and
C.
Stampfer
,
Nano Lett.
20
,
2005
(
2020
).
29.
A.
Kurzmann
,
H.
Overweg
,
M.
Eich
,
A.
Pally
,
P.
Rickhaus
,
R.
Pisoni
,
Y.
Lee
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
T.
Ihn
, and
K.
Ensslin
,
Nano Lett.
19
,
5216
(
2019
).
30.
S.
Engels
,
B.
Terrés
,
A.
Epping
,
T.
Khodkov
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
B.
Beschoten
, and
C.
Stampfer
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
126801
(
2014
).
31.
E.
McCann
,
Phys. Rev. B
74
,
161403
(
2006
).
32.
M.
Eich
,
R.
Pisoni
,
A.
Pally
,
H.
Overweg
,
A.
Kurzmann
,
Y.
Lee
,
P.
Rickhaus
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
K.
Ensslin
, and
T.
Ihn
,
Nano Lett.
18
,
5042
(
2018
).
33.
L.
Banszerus
,
T.
Fabian
,
S.
Möller
,
E.
Icking
,
H.
Heiming
,
S.
Trellenkamp
,
F.
Lentz
,
D.
Neumaier
,
M.
Otto
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
F.
Libisch
,
C.
Volk
, and
C.
Stampfer
,
Phys. Status Solidi B
257
,
2000333
(
2020
).
34.
R.
Garreis
,
A.
Knothe
,
C.
Tong
,
M.
Eich
,
C.
Gold
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
V.
Fal'ko
,
T.
Ihn
,
K.
Ensslin
, and
A.
Kurzmann
, arXiv:2011.07951 (
2020
).
35.
S.
Gustavsson
,
M.
Studer
,
R.
Leturcq
,
T.
Ihn
,
K.
Ensslin
,
D. C.
Driscoll
, and
A. C.
Gossard
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
206804
(
2007
).
36.
J. M.
Hornibrook
,
J. I.
Colless
,
A. C.
Mahoney
,
X. G.
Croot
,
S.
Blanvillain
,
H.
Lu
,
A. C.
Gossard
, and
D. J.
Reilly
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
103108
(
2014
).
37.
W.
Albrecht
,
J.
Moers
, and
B.
Hermanns
,
J. Large-Scale Res. Facilities
3
,
112
(
2017
).
You do not currently have access to this content.