The scaling up of semiconductor quantum dots to two-dimensional arrays is attracting considerable interest for use in large-scale spin-based quantum computation. One of the fundamental technologies to be realized in the two-dimensional arrays of quantum dots is the coherent manipulations of individual electron spins. In this work, we report on a micromagnet design that generates stray magnetic fields that can be used for spin manipulations via electric dipole spin resonance in a 2 × 2 quantum dot array. We consider a micromagnet with lower symmetry than that typically used in the case of linear dot arrays and optimize its dimensions to produce a maximum stray field gradient while maintaining Zeeman splitting differences sufficiently large among the four dots to permit qubit addressability. The optimized field gradient is around 60% smaller than that used in linear dot arrays, but it is still large enough for spin manipulation experiments. Our result represents an important step toward the experimental realization of spin-qubit operations in two-dimensional arrays of quantum dots.

1.
R.
Hanson
,
L. P.
Kouwenhoven
,
J. R.
Petta
,
S.
Tarucha
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Rev. Mod. Phys.
79
,
1217
(
2007
).
2.
D.
Loss
and
D. P.
DiVincenzo
,
Phys. Rev. A
57
,
120
(
1998
).
3.
U.
Mukhopadhyay
,
J. P.
Dehollain
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
183505
(
2018
).
4.
P. A.
Mortemousque
,
E.
Chanrion
,
B.
Jadot
,
H.
Flentje
,
A.
Ludwig
,
A. D.
Wieck
,
M.
Urdampilleta
,
C.
Bauerle
, and
T.
Meunier
,
Nat. Nanotechnol.
16
,
296
301
(
2021
).
5.
A.
Noiri
,
K.
Kawasaki
,
T.
Otsuka
,
T.
Nakajima
,
J.
Yoneda
,
S.
Amaha
,
M. R.
Delbecq
,
K.
Takeda
,
G.
Allison
, and
A.
Ludwig
,
Semicond. Sci. Technol.
32
,
084004
(
2017
).
6.
F.
van Riggelen
,
N. W.
Hendrickx
,
W. I. L.
Lawrie
,
M.
Russ
,
A.
Sammak
,
G.
Scappucci
, and
M.
Veldhorst
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
044002
(
2021
).
7.
L. M. K.
Vandersypen
,
H.
Bluhm
,
J. S.
Clarke
,
A. S.
Dzurak
,
R.
Ishihara
,
A.
Morello
,
D. J.
Reilly
,
L. R.
Schreiber
, and
M.
Veldhorst
,
npj Quantum Inf.
3
,
34
(
2017
).
8.
R.
Li
,
L.
Petit
,
D. P.
Franke
,
J. P.
Dehollain
,
J.
Helsen
,
M.
Steudtner
,
N. K.
Thomas
,
Z. R.
Yoscovits
,
K. J.
Singh
,
S.
Wehner
,
L. M. K.
Vandersypen
,
J. S.
Clarke
, and
M.
Veldhorst
,
Sci. Adv.
4
,
eaar3960
(
2018
).
9.
N.
Lee
,
R.
Tsuchiya
,
G.
Shinkai
,
Y.
Kanno
,
T.
Mine
,
T.
Takahama
,
R.
Mizokuchi
,
T.
Kodera
,
D.
Hisamoto
, and
H.
Mizuno
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
162106
(
2020
).
10.
M.
Tadokoro
,
T.
Nakajima
,
T.
Kobayashi
,
K.
Takeda
,
A.
Noiri
,
K.
Tomari
,
J.
Yoneda
,
S.
Tarucha
, and
T.
Kodera
,
Sci. Rep.
11
,
19406
(
2021
).
11.
N. W.
Hendrickx
,
W. I. L.
Lawrie
,
M.
Russ
,
F.
van Riggelen
,
S. L.
de Snoo
,
R. N.
Schouten
,
A.
Sammak
,
G.
Scappucci
, and
M.
Veldhorst
,
Nature
591
,
580
585
(
2021
).
12.
F. H. L.
Koppens
,
C.
Buizert
,
K. J.
Tielrooij
,
I. T.
Vink
,
K. C.
Nowack
,
T.
Meunier
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Nature
442
,
766
(
2006
).
13.
K. C.
Nowack
,
F. H. L.
Koppens
,
Y. V.
Nazarov
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Science
318
,
1430
(
2007
).
14.
M.
Pioro-Ladrière
,
T.
Obata
,
Y.
Tokura
,
Y. S.
Shin
,
T.
Kubo
,
K.
Yoshida
,
T.
Taniyama
, and
S.
Tarucha
,
Nat. Phys.
4
,
776
(
2008
).
15.
E. A.
Laird
,
C.
Barthel
,
E. I.
Rashba
,
C. M.
Marcus
,
M. P.
Hanson
, and
A. C.
Gossard
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
246601
(
2007
).
16.
Y.
Tokura
,
W. G.
van der Wiel
,
T.
Obata
, and
S.
Tarucha
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
047202
(
2006
).
17.
J.
Yoneda
,
T.
Otsuka
,
T.
Nakajima
,
T.
Takakura
,
T.
Obata
,
M.
Pioro-Ladrière
,
H.
Lu
,
C. J.
Palmstrøm
,
A. C.
Gossard
, and
S.
Tarucha
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
267601
(
2014
).
18.
E.
Kawakami
,
P.
Scarlino
,
D. R.
Ward
,
F. R.
Braakman
,
D. E.
Savage
,
M. G.
Lagally
,
M.
Friesen
,
S. N.
Coppersmith
,
M. A.
Eriksson
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
666
670
(
2014
).
19.
K.
Takeda
,
J.
Kamioka
,
T.
Otsuka
,
J.
Yoneda
,
T.
Nakajima
,
M. R.
Delbecq
,
S.
Amaha
,
G.
Allison
,
T.
Kodera
,
S.
Oda
, and
S.
Tarucha
,
Sci. Adv.
2
,
8
(
2016
).
20.
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
106
(
2018
).
21.
D. M.
Zajac
,
A. J.
Sigillito
,
M.
Russ
,
F.
Borjans
,
J. M.
Taylor
,
G.
Burkard
, and
J. R.
Petta
,
Science
359
,
439
(
2018
).
22.
K.
Takeda
,
A.
Noiri
,
T.
Nakajima
,
J.
Yoneda
,
T.
Kobayashi
, and
S.
Tarucha
,
Nat. Nanotechnol.
16
,
965
969
(
2021
).
23.
T.
Nakajima
,
A.
Noiri
,
K.
Kawasaki
,
J.
Yoneda
,
P.
Stano
,
S.
Amaha
,
T.
Otsuka
,
K.
Takeda
,
M. R.
Delbecq
,
G.
Allison
,
A.
Ludwig
,
A. D.
Wieck
,
D.
Loss
, and
S.
Tarucha
,
Phys. Rev. X
10
,
011060
(
2020
).
24.
X.
Xue
,
M.
Russ
,
N.
Samkharadze
,
B.
Undseth
,
A.
Sammak
,
G.
Scappucci
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Nature
601
,
343
(
2022
).
25.
A.
Noiri
,
K.
Takeda
,
T.
Nakajima
,
T.
Kobayashi
,
A.
Sammak
,
G.
Scappucci
, and
S.
Tarucha
,
Nature
601
,
338
(
2022
).
26.
S. G.
Philips
,
M. T.
Ma̧dzik
,
S. V.
Amitonov
,
S. L.
de Snoo
,
M.
Russ
,
N.
Kalhor
,
C.
Volk
,
W. I. L.
Lawrie
,
D.
Brousse
,
L.
Tryputen
,
B. P.
Wuetz
,
A.
Sammak
,
M.
Veldhorst
,
G.
Scappucci
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Nature
609
,
919
(
2022
).
27.
A.
Noiri
,
J.
Yoneda
,
T.
Nakajima
,
T.
Otsuka
,
M. R.
Delbecq
,
K.
Takeda
,
S.
Amaha
,
G.
Allison
,
A.
Ludwig
,
A. D.
Wieck
, and
S.
Tarucha
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
153101
(
2016
).
28.
T.
Ito
,
T.
Otsuka
,
T.
Nakajima
,
M. R.
Delbecq
,
S.
Amaha
,
J.
Yoneda
,
K.
Takeda
,
A.
Noiri
,
G.
Allison
,
A.
Ludwig
,
A. D.
Wieck
, and
S.
Tarucha
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
093102
(
2018
).
29.
J.
Yoneda
,
T.
Otsuka
,
T.
Takakura
,
M.
Pioro-Ladrière
,
R.
Brunner
,
H.
Lu
,
T.
Nakajima
,
T.
Obata
,
A.
Noiri
,
C. J.
Palmstrøm
,
A. C.
Gossard
, and
S.
Tarucha
,
Appl. Phys. Express
8
,
084401
(
2015
).
30.
We used python package that is available at https://magpylib.readthedocs.io/en/latest/ for stray magnetic field simulation.
31.
D. S.
Wang
,
A. G.
Fowler
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rev. A
83
,
020302
(
2011
).
32.
N. I.
Dumoulin Stuyck
,
F. A.
Mohiyaddin
,
R.
Li
,
M.
Heyns
,
B.
Govoreanu
, and
I. P.
Radu
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
094001
(
2021
).
You do not currently have access to this content.