Optical polarization of nuclear spins in silicon carbide
我们证明了光泵浦的29-Si核自旋的动态核极化，这些核自旋与4 H-和6 H-SiC中的顺磁色心强耦合。在室温下99 +/-1%的极化度对应于5微开尔文的有效核温度。通过结合从头算理论和色心光学激发态的实验识别，我们定量地模拟了超精细介导的能级反交叉是如何产生偏振的。这些结果为基于SiC的量子存储器、核陀螺仪和用于磁共振成像的超极化探针奠定了基础。
2015-02-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spin polarization through Intersystem Crossing in the silicon vacancy of silicon carbide
基于碳化硅（SiC）的缺陷对于量子通信、量子信息处理和下一代量子传感器是有希望的，因为它们具有长相干时间、接近电信的频率以及光学和微波跃迁。对于这样的应用，自旋态的有效初始化是必要的。我们开发了一个理论描述的自旋极化过程中使用的硅空位缺陷，这是使光驱动，自旋轨道耦合，并与振动模式的相互作用的组合的系统间交叉。通过使用不同的光盘驱动器，我们分析了两个自旋极化通道。有趣的是，我们发现不同的自旋投影的基态流形可以极化。这项工作有助于理解硅空位的初始化和读出，并解释了一些现有的实验与SiC中的硅空位中心。
2018-11-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
The neutral silicon-vacancy center in diamond: spin polarization and lifetimes
我们证明了金刚石中的中性电荷硅空位缺陷（$\mathrm{SiV^{0}}$）的光学自旋极化，这是一种在946 nm处发射零声子线的$S=1$缺陷。自旋极化被认为是最有效的共振激发下，但在低于共振能量非零。我们测量了低温下的系综自旋相干时间$T_2>100~\mathrm{μs}$和自旋弛豫极限$T_1>25~\mathrm{s}$。在946 nm附近的光自旋态初始化允许在相同的光寻址体积内独立初始化$\mathrm{SiV^{0}}$和$\mathrm{NV^{-}}$，并且$\mathrm{SiV^{0}}$在电信下转换频带内发射到1550 nm：当与其高Debye-Waller因子相结合时，我们的初步结果表明$\mathrm{SiV^{0}}$是远程量子通信技术的有希望的候选者。
2017-05-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spin mediated enhanced negative magnetoresistance in Ni80Fe20 and p-silicon bilayer
在这项工作中，我们提出了一个实验研究自旋介导的增强负磁电阻在Ni_（80）Fe_（20）（50 nm）/p-Si（350 nm）双层。电阻测量显示，对于3 T的面外施加的磁场，双层样品的电阻降低约2.5%，而氧化物样品上的Ni 80 Fe 20（50 nm）的电阻降低1.3%。在Ni_（80）Fe_（20）薄膜中，负磁电阻效应归因于各向异性磁电阻效应。我们认为自旋霍尔效应引起的自旋极化是双层膜中观察到的负磁电阻增强的根本原因。硅具有弱的自旋轨道耦合，因此自旋霍尔磁阻测量是不可行的。我们用V2ω和V3ω作为磁场和磁场在垂直于电流方向上的角旋转的函数来解释自旋霍尔效应。磁场的角旋转对V2ω和V3ω都表现出正弦行为，这归因于自旋-霍尔效应介导的自旋极化引起的自旋-声子相互作用。我们认为自旋极化导致空穴-声子散射的减少，从而导致负磁电阻的增强。
2017-01-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin-dependent scattering in a silicon transistor
传导电子离开中性施主的散射敏感地依赖于它们的自旋态的相对取向。本文提出了场效应晶体管二维电子气中自旋相关散射的理论。我们的理论表明，散射机制是由负电离施主能级的虚跃迁占主导地位。这种效应转化为源漏电流，当施主自旋与强微波场共振时，源漏电流总是减小。我们提出了一个模型，施主杂质与硅晶体管中的传导电子相互作用，并比较我们明确的数值计算电检测磁共振（EDMR）实验。值得注意的是，我们表明，EDMR是最佳的捐助者放置到一个甜蜜点位于一个狭窄的深度窗口相当远的2DEG接口。这允许显著优化自旋信号强度，用于放置在最佳点中的最小数量的供体，从而能够开发单自旋读出装置。我们的理论揭示了一个有趣的依赖于传导电子自旋极化p_c。随着p_c在自旋注入时增加，EDMR幅度首先随着p_{c} ^{2}增加，然后当达到极化阈值p_T时饱和。这些结果表明，利用EDMR作为硅和其他弱自旋轨道耦合材料中载流子自旋极化的原位探针是可能的。
2009-07-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Strong Spin Filtering by Silicon Nanoparticles with Adsorbed Bismuth Atom Clusters: Role of Symmetry and Electrostatic Control of the Direction of the Spin Polarization
基于密度泛函理论和紧束缚模型，对铋原子吸附在硅纳米颗粒上的电子结构和自旋输运性质进行了理论研究.我们发现铋原子形成了由量子隧道势垒隔开的团簇。我们预测强自旋过滤这些纳米结构在高电导制度时，源极和漏极引线连接到相同的铋簇和在低电导制度时，源极和漏极引线连接到不同的铋簇。我们将自旋过滤与系统的自旋透射几率矩阵所服从的对称性联系起来。我们还预测，对于这样的系统的自旋极化的方向在漏极引线可以通过大角度调谐，甚至扭转静电简单地通过改变施加到栅极的电压。在实验室中实现这些硅铋纳米结构是可行的。我们期望预测的自旋过滤是实验上可访问的，并可能相关的设备应用程序。
2022-09-18 cond-mat.mes-hall
Spin polarization and metallic behavior of a silicon two-dimensional electron system
我们研究了Si/SiGe量子阱中超低阻二维电子系统的磁性和输运性质。自旋极化率随面内磁场的增加而线性增加，自旋极化率的增加与Si MOS结构中的自旋极化率的增加一致。即使在自旋自由度被冻结的强磁场中，电阻率的温度依赖性仍然是金属性的。我们还发现了相对于电流和面内磁场之间的角度的磁阻各向异性。
2005-12-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Synthesis of Long-T1 Silicon Nanoparticles for Hyperpolarized 29Si Magnetic Resonance Imaging
我们描述了用于超极化磁共振成像（MRI）试剂的非晶和晶体硅纳米粒子的合成、材料表征和动态核极化（DNP）。通过硅化钠（Na4Si4）和四氯化硅（SiCl4）之间的复分解反应合成的颗粒，并用各种钝化配体进行表面官能化。该合成方案产生直径约10 nm的颗粒，具有长的尺寸调整的29Si自旋晶格弛豫（T1）时间（> 600 s），其在通过低温DNP超极化后被保留。
2013-05-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
One nanometer HfO$_2$-based ferroelectric tunnel junctions on silicon
在铁电材料中，自发对称性破缺导致可切换的电极化的强度，这为非易失性存储器提供了重要的前景。特别是，铁电隧道结（FTJ）已经成为一种新的电阻开关存储器，它利用极化相关的隧道电流穿过薄的铁电势垒。在这里，我们展示了FTJ与CMOS兼容的Zr掺杂HfO $_2$（Zr：HfO $_2$）铁电势垒的厚度仅为1 nm，生长在硅原子层沉积。这些1 nm Zr：HfO $_2$隧道结表现出大的极化驱动电阻（19000 $\%$），这是HfO $_2$基FTJ的最大值。此外，由于仅1 nm铁电势垒，这些结在低读取电压下提供大的隧道电流（> 1A/cm $^2$），比所报道的较厚的基于HfO $_2$的FTJ大几个数量级。因此，我们的原理验证演示提供了一种方法，同时克服原型FTJ的三个主要缺点：硅兼容的铁电体，大电阻，高速操作的大读取电流。
2020-07-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Half-Metallic Silicon Nanowires: Multiple Surface Dangling Bonds and Nonmagnetic Doping
通过第一性原理密度泛函理论计算，发现氢钝化的[100]方向多表面悬挂键（SDB）和硼掺杂的硅纳米线（SiNW）可以具有100%自旋极化的半金属基态，并且半金属性对外部电场具有很强的抵抗能力.在各种SDB的情况下，H钝化的SiNW也可以是铁磁或反铁磁半导体。本研究不仅提供了一种可能的路线，工程师半金属硅纳米线不包含磁性原子，但也揭示了操纵纳米线的自旋相关的性质，通过表面钝化。
2009-09-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Efficient Dynamic Polarization of Phosphorus Nuclei in Silicon in Strong Magnetic Fields and Low Temperatures
我们证明了硅中磷施主的动态核极化（DNP）在磁场为4.6 T和温度低于1 K时是非常有效的。DNP的发生是由于通过禁止触发器或触发器跃迁的交叉弛豫后的Overhauser效应。在用0.4 $μ$ W的微波功率泵浦20分钟后达到核极化值$P>0.98$。我们评估了在2小时的泵浦后，超精细态布居的比率增加了三个数量级，并且可以创建包含另一个自旋态的$<10^{-11}$的极纯核自旋系统。通过抽运P的低场ESR谱线，然后进行翻转交叉弛豫，得到了反转的DNP。这种转变具有小得多的弛豫速率，并且需要相当长的泵送时间。我们发现，核极化动力学大大偏离一个简单的指数函数。极化的演化由两个时间常数$T^{'}_{ac}\approx$ 15 s和$T^{"}_{ac}\approx$ 1100 s表征。研究了$^{31}$ P的核弛豫速率的温度依赖性，直到0.75 K，低于该温度，弛豫时间变得太长而无法测量。在弛豫过程中，核极化遵循双指数时间依赖关系。我们认为，非指数行为的DNP动力学和随后的弛豫介导的$^{29}$ Si周围的$^{31}$ P施主的核，这影响了禁止交叉弛豫过程的跃迁几率。
2014-05-05 cond-mat.mes-hall
Theoretical model of the dynamic spin polarization of nuclei coupled to paramagnetic point defects in diamond and silicon carbide
由半导体中的顺磁点缺陷介导的动态核自旋极化（DNP）是启动核量子存储器和产生核超极化的关键资源。因此，DNP是量子信息处理、灵敏度增强的核磁共振和基于核自旋的自旋电子学领域中的重要过程。基于点缺陷光泵浦的DNP已通过使用金刚石中氮空位（NV）中心的电子自旋以及最近通过使用六方碳化硅（SiC）中的双空位和相关缺陷自旋得到证实。在这里，我们描述了一个通用的模型，这些光学DNP过程，允许许多微观过程的影响进行整合。应用这一理论，我们获得了更深入的了解动态核自旋极化和金刚石和SiC缺陷的物理。我们的结果与实验观测结果符合得很好，并提供了一个详细的和统一的理解。特别是，我们的研究结果表明，缺陷的电子自旋相干时间和激发态寿命是整个DNP过程中的关键因素。
2015-09-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.other
Large-Enhancement Nanoscale Dynamic Nuclear Polarization Near a Silicon Nanowire Surface
本文将脉冲动态核极化与纳米尺度力检测磁共振结合，在6 K和0.33 T下实现纳米糖液滴质子自旋极化增强100倍，并将平均时间缩短200倍，显著推进了纳米尺度成像能力。
2024-02-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Total angular momentum sorting in the telecom infrared with silicon Pancharatnam-Berry transformation optics
轨道角动量（OAM）和偏振的并行排序最近在从电信到高维量子密码学的广泛领域中获得了极大的重要性和兴趣。由于其固有的偏振敏感的光学响应，作用于几何相位的光学元件被证明对于借助于单个光学平台处理具有正交偏振状态的结构化光束是有用的。在这项工作中，我们提出了设计，制造和测试的Pancharatnam-Berry光学元件在硅实现对数极化光学变换在1310 nm的OAM分选机的实现角动量和线性动量状态之间的保角映射的基础上。超颖表面以连续变化的亚波长光栅的形式实现，从而在相位图案的定义中提供高分辨率。一个混合装置被制造组装的超表面的几何相位控制与多级衍射光学的偏振无关的操纵的动态相位。光学表征证实了同时分选轨道角动量和圆偏振的能力。
2019-02-04 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Dynamic nuclear polarization and ESR hole burning in As doped silicon
在0.1-1 K温度范围内，在4.6 T强磁场中，对掺As天然丰度硅晶体中\si{}核的动态核极化进行了实验研究。这确保了非常高程度的电子自旋极化，极慢的核弛豫和实现奥弗豪泽和解决固体效应的最佳条件。我们发现，固体效应DNP导致的外观的孔和峰的模式在ESR线，分开的供体电子和\si{}核之间的超超精细相互作用最接近的供体。相反，Overhauser效应DNP主要作用于与施主电子相互作用最弱的\si{}核，导致ESR谱线上出现一个很窄（$\approx$ 3 mG宽）的空穴。我们研究了烧蚀后空穴的弛豫，这是由核自旋扩散引起的。用简单的一维光谱扩散模型分析自旋扩散数据得到光谱扩散系数$D=8(3)\times 10^{-3}$ mG $^2$ /s的值。我们的数据表明，自旋扩散并没有完全阻止，即使在冻结的核心附近的施主。在奥弗豪泽DNP之后出现的窄洞可以用电子自旋的拉比振荡引起的冻结核的部分“软化”来解释。
2019-12-12 cond-mat.mes-hall physics.atm-clus
Silicon carbide stacking-order-induced doping variation in epitaxial graphene
一般认为外延石墨烯中的费米能级受两种效应控制：由六角SiC（0001）衬底体诱导的p型极化掺杂和与缓冲层相关的类施主态的过补偿。在这项工作中，我们的证据表明，这种效果也与特定的底层SiC梯田。我们制作了一个周期性的序列不相同的SiC梯田，这是明确归因于特定的SiC表面终端。实验观察到SiC终端和电子石墨烯性能之间的明确相关性，并通过各种互补的表面敏感方法证实。我们将这种相关性归因于SiC终止依赖的极化掺杂对上覆石墨烯层的邻近效应。我们的研究结果为纳米级掺杂工程开辟了一条新途径，即在介电极性衬底上自图案化外延石墨烯和其他2D层。
2020-05-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Dynamical Reorientation of Spin Multipoles in Silicon Carbide by Transverse Magnetic Fields
本研究发现在碳化硅硅空位中施加横向弱磁场可引发自旋多极子的动力学重取向，导致激发态四极极化反转和基态偶极极化出现，理论计算与实验谱吻合。
2024-04-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Proposal for Efficient Generation of Spin-Polarized Current in Silicon
我们提出了一种自旋相关的共振隧穿结构，以有效地注入自旋极化电流到硅（Si）。通过在铁磁金属（FM）和Si之间重掺杂多晶Si（Poly-Si）来降低肖特基势垒电阻，我们估计将隧穿电流密度提高到$10^8$ Am $^{-2}$。硅中的小费米载流子海将隧穿电子聚焦到铁磁体中的小横向动量区域内的共振自旋态，这产生了电流的自旋极化。由于大的交换分裂之间的自旋向上和向下的带，自旋电流的衰减被解释在散射的聚焦光束。只有当FM层的厚度小于根据该原因估计的自旋扩散长度时，电流中的自旋极化才存在。
2010-03-31 cond-mat.mes-hall
Microwave manipulation of electrically injected spin polarized electrons in silicon
我们演示了微波操纵硅中电注入自旋极化电子的自旋态。虽然硅沟道的铁磁金属薄膜的边界，我们表明，适度的微波功率可以施加到设备，而不会改变设备的操作显着。共振微波辐射是用来诱导自旋极化的电子自旋旋转，因为它们穿越硅通道，并随后检测到由铁磁肖特基势垒自旋探测器所产生的自旋极化。这些结果表明，先进的电子自旋共振技术相结合，以补充标准的磁输运测量以外的半导体自旋电子器件的研究的潜力。
2013-12-12 cond-mat.mes-hall
A Generalizable TCAD Framework for Silicon FinFET Spin Qubit Devices with Electrical Control
本文构建了可在 1 K 下工作的 TCAD 仿真框架，通过直流限制势定义与小信号交流分析提取量子点微波电场极化，并以五栅极双量子比特硅 FinFET 验证其可扩展性。
2023-06-05 cond-mat.mes-hall
Optically detected magnetic resonance in neutral silicon vacancy centers in diamond via bound exciton states
金刚石中的中性硅空位（SiV0）中心由于其优异的光学性质和较长的自旋相干时间而成为量子网络的理想候选者。然而，由于对激发态精细结构的理解不足和有限的非共振自旋极化，这种缺陷中的自旋相关荧光一直是难以捉摸的。在这里，我们报告的实现光学检测磁共振和相干控制的SiV0中心在低温下，使有效的光学自旋极化通过以前未报道的更高的激发态。我们用群论和密度泛函理论将这些态指定为束缚激子态。这些束缚激子状态使新的控制方案SiV0以及其他新兴的缺陷系统。
2020-12-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin dephasing in Silicon Germanium nanowires
利用半经典蒙特卡罗方法研究了硅锗纳米线中的自旋极化输运。沟道中的自旋去极化是由于与Rashba自旋轨道耦合相关的D 'yakonov-Perel（DP）弛豫和由于Elliott-Yafet（EY）弛豫引起的。我们研究了硅锗纳米线中自旋退相对锗摩尔分数的依赖关系。自旋退相长度随着锗摩尔分数的增加而减小。我们还发现温度对退相速率有很大的影响，自旋弛豫长度随着温度的降低而增加。系综平均自旋分量和自旋分量的稳态分布随初始极化而变化。
2011-06-23 cond-mat.mes-hall
Microscopic control of $^{29}$Si nuclear spins near phosphorus donors in silicon
我们证明了在低于1 K的温度和4.6 T的高磁场中，对于硅晶体中$^{31}$ P施主附近的特定晶格位置，$^{29}$ Si核自旋取向的有效控制。禁戒电子-核跃迁的激发导致$^{31}$ P的ESR谱线中的窄空穴和峰的图案。该图案起源于通过固体效应在施主附近的$^{29}$ Si核自旋的动态极化。该方法可用于全硅量子计算机中基于$^{29}$ Si核自旋的量子位初始化。相比之下，通过泵浦所允许的ESR跃迁来进行的$^{29}$ Si的极化没有产生任何图案。相反，在ESR谱线中烧出了一个窄的光谱空穴。这种差异是由快速自旋扩散过程中的微波泵浦允许的过渡。
2015-01-02 cond-mat.mes-hall physics.atm-clus
Linear and planar molecules formed by coupled P donors in silicon
利用有效质量理论和多谷包络函数表示，我们建立了一个理论框架，用于计算硅中任意几何构型相互作用的多个磷供体的单电子结构，同时考虑谷轨道耦合。该方法适用于三个耦合磷捐助者，安排在一个线性链和三角形，并安排在一个正六边形的六个捐助者。模拟的结果表明，谷组成的单电子态强烈依赖于掺杂剂分子的几何形状和其相对于硅的晶轴的取向。三原子线性分子的电子结合能大于沿同一晶轴取向的双原子分子的电子结合能，但当核间距为1.5~6.6 nm时，基态与第一激发态之间的能隙没有显著差异.三个施主原子排列在一个三角形的几何形状具有更大的结合能比具有相同的核间距的掺杂剂的三原子线性链。平面供体分子的特征在于有利于垂直于分子平面取向的谷的强极化。极化随着形成平面分子的原子数而增加。
2016-11-22 cond-mat.mes-hall
Local-field effects in silicon nanoclusters
在DFT-RPA框架下研究了局域场对不同尺寸和非晶化程度的纳米硅团簇（NC）吸收光谱的影响。我们发现，局域场效应有很大的影响的光学吸收的纳米。它们的作用可以描述为两个单独的贡献，都产生于NC界面的偏振效应。首先，局部场产生在低能量极限中更强的吸收的减少。这种贡献是由入射场上的极化效应引起的屏蔽的直接结果。其次，局部场引起的蓝移的吸收共振条件的扰动方面的主要吸收峰已被解释。这两个贡献既不依赖于NC的直径，也不依赖于其非晶化程度，同时显示出高的敏感性，包围NC的环境。
2011-09-01 cond-mat.mes-hall physics.optics
Full Rotational Control of Levitated Silicon Nanorods
我们研究了悬浮在光阱中的纳米硅棒。通过操纵光的偏振，我们获得了对杆的反平移动力学的完全控制。我们能够捕获它的质心，并使其沿着激光场的线性偏振方向排列。通过利用椭圆偏振光施加的辐射压力，可以将杆设置为以调谐频率旋转。棒的旋转运动动态地修改光学势，这允许在数百千赫兹以上调谐旋转频率。这种捕获和控制纳米粒子的运动和排列的能力开辟了旋转光学力学、旋转基态冷却和欠阻尼状态下旋转热力学研究的领域。
2017-03-16 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Addressing spin transitions on 209Bi donors in silicon using circularly-polarized microwaves
在过去的十年中，同位素富集的$^{28}$ Si中的施主自旋量子比特由于其异常长的相干时间而得到了深入的研究。最近，铋施主电子自旋已经变得流行，因为Bi具有大的核自旋，这引起时钟跃迁（一阶对磁场噪声不敏感）。在每个时钟跃迁处，在四个不同的状态之间存在两个几乎简并的跃迁，其可以用作一对量子比特。在这里，它是实验证明，这些转换是由相反的螺旋微波激发，使它们可以选择性地通过不同的微波极化驱动。本工作采用超导共面波导（CPW）微谐振器和介质谐振器的组合，灵活地产生任意椭圆偏振，同时保持高灵敏度的CPW。
2016-01-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
The formation of a nuclear-spin dark state in silicon
本文在栅极定义的硅双量子点中实验实现了核自旋暗态，证明其能显著抑制电子-核耦合和自旋弛豫，为量子存储和量子传感提供新途径。
2025-05-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Polarization-Tuned Fano Resonances in All-Dielectric Short-Wave Infrared Metasurface
École Polytechnique de Montréal（蒙特利尔理工学院）；Leibniz-Institut für Kristallzüchtung（莱布尼兹晶体生长研究所）
本文提出一种全介质硅集成元表面，通过偏振调控实现短波红外范围的费诺共振控制，用于高灵敏度折射率传感。
2022-12-01 cond-mat.mes-hall physics.optics
