All-electrical manipulation of silicon spin qubits with tunable spin-valley mixing
我们表明，硅量子位（qubit）中的自旋和谷自由度之间的混合可以通过作用在谷分裂$Δ$上的电场来控制。由于自旋-轨道耦合，量子位可以在自旋模式（其中量子信息被编码为自旋）和谷模式（其中量子信息被编码为谷）之间连续切换。在自旋模式下，量子比特在非弹性弛豫和退相干方面更鲁棒，但几乎不能电寻址。然而，它可以被带入谷模式，然后返回到自旋模式以进行电操纵。这为在硅上开发鲁棒的、可扩展的、电可寻址的自旋量子比特开辟了新的前景。我们说明了这一点与紧束缚模拟上的所谓的“角点”在绝缘体上硅器件的限制和谷分裂可以独立定制的前和背栅。
2018-02-13 cond-mat.mes-hall
Dispersive readout of valley splittings in cavity-coupled silicon quantum dots
体硅的能带结构具有六重谷简并。Si/SiGe量子阱系统中的应变部分地提升了谷简并，但是设置两个最低谷的分裂的材料因素仍在深入研究中。提出了一种精确测量超导微波谐振器中Si/SiGe双量子点谷分裂的方法。我们发现双量子点能级谱中的低谷态导致了腔传输中容易观察到的特征。这些特征产生半导体双量子点的微观能级结构的“指纹”，提供谷分裂和谷间耦合率的有用信息。
2016-07-29 cond-mat.mes-hall
Valley-protected backscattering suppression in silicon photonic graphene
本文研究了全介质硅光子石墨烯的谷自由度。从非零谷陈数的观点重新讨论了反转对称性破缺下的光子带隙开放物理。通过观察时变电场，揭示了具有相反轨道角动量的体谷模。光子狄拉克哈密顿量很好地说明了拓扑跃迁。研究了Z形弯曲波导的谷相关边缘态和谷保护后向散射抑制。
2016-02-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Spin-valley lifetimes in a silicon quantum dot with tunable valley splitting
虽然硅是一种很有前途的量子计算材料，但导带最小值（谷）的简并性必须通过足够的分裂来提升，以确保形成定义明确且寿命长的自旋量子位。在这里，我们表明，谷分离可以通过静电门控制在金属氧化物半导体量子点，提供跨越0.3 - 0.8毫电子伏的分裂，准确地调谐。分裂随外加电场线性变化，其比例与原子紧束缚预测一致。我们演示了单次自旋读出和测量不同的谷配置和点占有率的自旋弛豫，发现一个电子的寿命超过2秒。由于谷态之间的自旋-轨道耦合，自旋弛豫通过声子发射发生，这是硅量子点以前没有预料到的过程。分析理论描述了弛豫速率的磁场依赖性，包括当塞曼分裂和谷分裂重合时存在显著的速率增强（或热点）。
2013-05-30 cond-mat.mes-hall
Spin filling of valley-orbit states in a silicon quantum dot
我们报道了一个低无序硅金属氧化物半导体（Si MOS）量子点的演示，其中包含一个可调的电子数从零到N=27。平行磁场下观察到的附加能的演化揭示了电子自旋填充到谷轨道态。我们发现一个分裂的0.10毫电子伏之间的地面和第一激发态，与理论一致，并把谷分裂的下限。我们的研究结果为在不久的将来实现基于硅量子点的自旋量子比特提供了乐观的前景。
2011-07-08 cond-mat.mes-hall
Valley splitting by extended zone effective mass approximation incorporating strain in silicon
针对SIMOX SOI衬底上硅MOSFET经高温退火后出现大谷劈裂的未知来源，本文基于扩展区有效质量近似分析，提出BOX界面附近约5%的<110>剪切应变是其主要成因。
2023-09-11 cond-mat.mes-hall
Excited states of a phosphorus pair in silicon: Effects of valley-orbital interaction and electron-electron interactions
半导体中杂质复合物的激发不仅可以为填补光学技术中的太赫兹空白提供一条途径，而且还可以连接本地量子比特以扩大固态量子计算设备。然而，同时考虑电子/空穴之间的相互作用和主体能带结构是具有挑战性的。在这里，我们结合第一性原理能带结构计算与量子化学方法来评估的基础和激发态的一对磷施主在硅的单一框架内。我们采用对称性破缺的Hartree-Fock方法，然后用含时的Hartree-Fock方法计算激发态。我们的哈密顿量为每个谷包括一个各向异性的动能项，分裂的2 p_0和2 p_+-跃迁的孤立施主约4 meV，在很好的协议与实验。我们的单谷计算表明，光学响应是一个强大的功能的光学偏振，并建议使用谷偏振控制光学和减少振荡交换相互作用。当考虑到所有的谷，包括谷轨道相互作用，我们发现1 s到2 p的过渡和低能量的电荷转移状态之间的间隙打开1 s流形（这成为光学允许，因为施主间的相互作用）。与单谷的情况相比，我们发现电荷转移激发态也在三重态扇区，由于谷自由度。这些状态有一个定性正确的能量与以前的实验相比，此外，我们预测新的激发低于20毫电子伏，以前没有分析过。在不同的间距最近邻对的统计平均值表明，太赫兹辐射可以用来激发对自旋选择性。我们的方法可以很容易地扩展到其他捐助者和其他半导体主机。
2020-09-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Lifetime enhanced transport in silicon due to spin and valley blockade
我们报告的观察寿命增强传输（LET）的基础上垂直谷在硅晶体管中的双电子系统的输运光谱测量。LET表现为一个特殊的电流阶跃的稳定性图，由于之间的一个激发态和任何较低的能量状态，由于垂直谷（和自旋）配置的禁戒跃迁，提供了一个额外的电流path. By采用详细的温度依赖性研究结合速率方程模型，我们估计这个特定的状态的寿命超过48 ns。通过大规模原子紧束缚模拟，得到了器件中所有相关受限量子态的双电子自旋谷组态。LET是硅中复杂的谷物理学的一个特征;这一特征在硅量子器件中变得越来越重要。
2011-07-19 cond-mat.mes-hall
Spatially Resolving Valley Quantum Interference of a Donor in Silicon
同位素纯硅中施主系综的电子和核自旋经历了类似真空的环境，使它们具有非凡的相干性。然而，与真正的真空相反，硅中的电子占据了动量空间中谷的量子叠加。硅中可寻址的单量子位和双量子位操作需要将量子位放置在界面附近，修改与这些量子叠加相关的谷自由度，并强烈影响量子位弛豫和交换过程。然而，迄今为止，光谱测量只能间接探测波函数，阻止直接实验访问山谷人口，施主位置和环境。在这里，我们直接探测单个次表面施主的单量子态的概率密度，在实空间和倒易空间，使用扫描隧道光谱。我们直接观察到与施主基态中谷的线性叠加相关的量子力学谷干涉图样。谷人口被发现是在$5 \%$的散装施主时，$2.85\pm0.45$ nm的界面，表明谷扰动引起的自旋弛豫的增强将是可以忽略不计的深度$>3$ nm。观察到的谷干扰将使两个量子比特交换门对亚表面施主位置的原子尺度变化敏感。此外，这些结果也将感兴趣的新兴计划提出直接在谷极化编码信息。
2015-07-22 cond-mat.mes-hall
Impact of the valley orbit coupling on exchange gate for spin qubits in silicon quantum dots
简并导带谷的存在以及它们如何通过界面混合在决定硅纳米结构中的电子相互作用和光谱中起着关键作用。本文研究了对称双电子硅双量子点中谷相对交换相互作用的影响。通过组态相互作用计算，发现交换分裂在两点间的谷相位差为有限值时被抑制，当相位差为π时，交换分裂达到最小值（{ \sim } 0）.这种抑制可以用哈伯德模型通过基态单重态和三重态上的双占据态的谷相位依赖的修整来解释。更高轨道态的贡献在确定交换能的值方面也起着至关重要的作用，交换能是诸如自旋量子比特交换门等应用的关键参数。
2021-07-01 cond-mat.mes-hall
Valley population of donor states in highly strained silicon
应变被广泛用于可控地调整材料的电子特性。在间接带隙半导体（如硅）的背景下，应变提升了六个导带最小值的谷简并性，并通过扩展提升了与磷供体结合的电子的谷态。在这里，单个磷原子被嵌入到应变到0.8%的硅的工程薄层中，并且它们的波函数使用空间分辨光谱成像。从真实空间图像中确认了平面外谷的普遍性，并且使用理论建模工具的组合来评估这种谷再布居效应如何在与原子精确供体量子位器件相关的$xy$平面中产生各向同性交换和隧道相互作用。最后，剩余存在的面内谷证明了实验和理论图像的傅立叶分析，和原子计算突出了更高的轨道激发态，以获得谷人口和应变之间的精确关系的重要性。控制工程应变外延层中的谷自由度为硅中基于施主的量子技术的发展提供了新的竞争优势。
2021-09-17 cond-mat.mes-hall
Probing the Spatial Variation of the Inter-Valley Tunnel Coupling in a Silicon Triple Quantum Dot
限制在硅量子点中的电子表现出轨道、自旋和谷自由度。谷自由度源于硅的体能带结构，其具有六个简并电子极小值。由于应变和电子限制，硅量子阱中的简并可以被提升，但是已知两个最低谷的“谷分裂”对原子尺度的无序是敏感的。大的谷分裂对于具有良好定义的自旋量子位是期望的。此外，理解耦合相邻量子点中的不同谷的谷间隧道耦合是极其重要的，因为能级图中的所得间隙可能影响硅量子点阵列中的电荷和自旋转移协议的保真度。在这里，我们使用微波光谱探测谷分裂的空间变化，以及谷内和谷间隧道耦合（$t_{ij}$和$t'_{ij}$），耦合点$i$和$j$在三重量子点（TQD）。我们发现谷间隧道耦合$t_{12}'/t_{12}=0.90$和$t_{23}'/t_{23}=0.56$的比率在很大的空间变化。通过调整点间隧道势垒，我们还表明，$t'_{ij}$比例线性与$t_{ij}$，从理论上预期。结果表明，不同的谷态之间的强相互作用相邻的点，我们归因于在硅量子阱的局部不均匀性。
2021-01-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Detection of a large valley-orbit splitting in silicon with two-donor spectroscopy
我们测量了硅栅纳米线中浅孤立磷施主的大的谷轨分裂。这种分裂接近体值，远高于硅纳米结构的先前报告。这是确定使用双掺杂剂传输光谱，消除文物引起的环境。考虑到施主相对于Si/SiO $_2$界面和导线中的电场的位置的定量模拟表明，所发现的值与器件的几何形状一致。
2012-07-12 cond-mat.mes-hall
Impact of valley phase and splitting on readout of silicon spin qubits
我们研究了谷自由度对硅中自旋量子位的保利自旋封锁读出的影响。谷分裂能量设置单重态-三重态分裂，从而限制失谐范围。谷相位差控制谷内和谷间隧道耦合的相对强度，在所提出的保利自旋封锁读出方案中，谷内和谷间隧道耦合分别耦合单线态和极化三线态。我们发现，高保真度读出是可能的相位差的范围很广，同时考虑到实验观察到的谷分裂和隧道耦合。我们还表明，谷分裂的控制与读出失谐的优化一起可以补偿谷相位差的影响。为了提高测量保真度和延长弛豫时间，我们提出了一个锁存协议，需要一个三重量子点，并利用弱远程隧道耦合。这些机会对于缩放自旋量子比特系统和提高量子比特读出保真度是有希望的
2018-03-05 cond-mat.mes-hall
Spin-Valley Qubit Dynamics In Exchange Coupled Silicon Quantum Dots
谷态的存在是在硅量子点中实现量子信息技术的一个重大障碍，因为泄漏到交替的谷态中会将误差引入计算。我们用微扰分析方法研究了具有谷自由度的交换耦合量子点的动力学。我们发现，如果谷分裂是大的，电子没有被适当地初始化到谷本征态，那么系统的时间演化将导致自旋谷纠缠。如果谷分裂很小，电子没有初始化到相同的谷态，也会发生自旋谷纠缠。此外，我们还发现，对于小的谷分裂，自旋谷纠缠不影响两个量子比特系统的测量概率;然而，具有更多量子比特的系统将受到影响。这意味着在双量子比特系统中测量的双量子比特门的量子数可能会错过谷自由度的影响。我们的工作表明，即使在系统温度很低的情况下，谷的存在也可能对多量子比特的量子性产生不利影响。
2021-06-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Orbital and valley state spectra of a few-electron silicon quantum dot
理解硅纳米器件中轨道态和谷量子态之间的相互作用对于评估基于自旋的量子比特的前景至关重要。利用动态电荷传感和脉冲电压谱技术研究了硅金属氧化物半导体量子点的能谱。使用附近的单电子晶体管作为电荷传感器，将量子点的占用探测到单电子水平。发现第一轨道激发态的能量随着电子占有率从N=1增加到4而迅速降低。通过监测点的连续自旋填充，我们提取了约230 μeV的谷分裂，与电子数无关。这表明量子比特操作的有利条件在少电子区域中就位。
2012-10-10 cond-mat.mes-hall
Valley blockade in a silicon double quantum dot
双量子点中的电输运揭示了量子点载流子态的许多有趣特性。硅量子信息技术的最新进展重新引起了人们对硅中电子谷态的兴趣。在这里，我们显示通过台面蚀刻的硅双量子点的直流传输的测量。比较偏置三角形（即，DQD中允许电流的区域），我们发现在两个偏置极性处的偏置三角形的大小的系统不对称性。这种性质的不对称性与由于占据亚稳态而导致的隧穿事件的阻塞相关联。我们的数据的几个特征使我们得出结论，所涉及的状态不是简单的自旋状态。相反，我们开发了一个模型的基础上选择性填充的DQD中的谷状态，这是符合我们的数据的所有定性特征。
2017-11-08 cond-mat.mes-hall
Wide Electrical Tunability of the Valley Splitting in a Doubly gated Silicon-on-Insulator Quantum Well
本研究通过低温磁输运测量发现双栅绝缘体上硅量子阱的谷劈裂可通过静电偏置δn宽范围调控，最高达6.3 meV且与总载流子浓度无关，前界面高k介质也提供了额外调控途径。
2025-09-02 cond-mat.mes-hall
Protected valley splitting against interface disorder toward scalable silicon electron spin qubits
State Key Laboratory of Semiconductor Physics and Chip Technologies, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences（中国科学院半导体研究所）；School of Physics, Ningxia University（宁夏大学物理学院）
通过单轴应变增强谷分裂并使其免受界面杂波影响，提升硅基自旋量子比特的栅极均匀性，为可扩展量子处理器奠定基础。
2025-11-27 cond-mat.mes-hall
Valley splitting in silicon from the interference pattern of quantum oscillations
我们确定的能量分裂的导带谷的二维（2D）电子限制在硅金属氧化物半导体（Si-MOS）霍尔栅晶体管。这些Si-MOS霍尔条由先进的半导体制造工艺在300 mm Si晶片上制成，支持高质量的2D电子气，最大迁移率为17.6 $\times$ 10 $^3$ cm $^2$ /Vs，最小渗透密度为3.45 $\times$ 10 $^{10}$ cm $^{-2}$。由于低的无序，我们观察到的Shubnikov-de Haas振荡，从能量分裂两个低洼的导带谷产生的殴打。从分析的振荡跳动模式，T = 1.7 K，我们估计在6.8 $\times$ 10 $^{12}$ cm $^{-2}$的密度为8.2毫电子伏的最大谷分裂。此外，谷分裂增加与密度在一个接近理想的半导体/氧化物界面的理论预测一致的速率。
2022-04-05 cond-mat.mes-hall
Valley-Free Silicon Fins Caused by Shear Strain
本文提出利用大剪切应变的CMOS兼容硅鳍场效应晶体管设计，完全消除谷自由度，将非计算态能隙提高一个数量级以上，为硅基大规模量子处理器提供新思路。
2024-07-22 cond-mat.mes-hall
Engineered valley-orbit splittings in quantum confined nanostructures in silicon
在硅量子电子学中，在少电子状态下的一个重要挑战是由于硅中存在的导带的多谷简并，在3D量子限制纳米结构中的基态和激发轨道态之间的潜在小的能隙。理解“谷轨道”（VO）间隙对于硅量子比特是必不可少的，因为大的VO间隙可以防止量子比特状态泄漏到更高维的希尔伯特空间中。VO间隙根据量子限制而显著变化，并且可以通过外部电场来设计。在这项工作中，我们调查VO分裂实验和理论上的限制制度的范围。本文报道了用激发态输运谱测量硅量子点和施主器件中VO的分裂。这些结果是由大规模的原子紧束缚计算，涉及超过100万个原子计算VO分裂作为电场，施主深度和表面无序的函数的基础。这些结果提供了一个全面的图片的VO分裂，可以通过量子工程实现的范围。
2011-02-25 cond-mat.mes-hall
Control of valley dynamics in silicon quantum dots in the presence of an interface step
最近在硅纳米结构上的实验已经在可扩展的、长寿命的量子信息处理方面取得了突破。谷自由度在这些器件中起着基础作用，硅量子点的两个最低能量的电子态可以形成谷量子比特。在这项工作中，我们表明，在硅/势垒界面处的单原子高台阶诱导量子比特和面内电场的强相互作用，并分析这种增强的相互作用对量子比特动力学的后果。量子位状态的电荷密度通过界面步骤而不同地变形，从而允许通过谷到电荷转换的非破坏量子位读出。栅极诱导的平面内电场与界面台阶一起使得能够经由电驱动的谷谐振来快速控制谷量子位。我们计算单和双量子位门时间，以及弛豫和失相时间，并提出预测的参数范围内的门时间可以比弛豫时间短得多，失相减少。
2016-04-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Valley interference and spin exchange at the atomic scale in silicon
隧穿是一个基本的量子过程，没有经典的等价物，它可以与库仑相互作用竞争，产生复杂的现象。硅中的磷掺杂剂可以以原子精度放置，以解决这种竞争产生的不同机制。然而，他们利用依赖于晶体带对称性的波函数，隧道相互作用本质上是敏感的。在这里，我们直接使用扫描隧道显微镜图像的晶格非周期性谷硅原子之间的耦合干涉。我们的原子分析揭示了包络各向异性，谷干扰和掺杂剂的位置上的海森堡自旋交换相互作用的作用。我们发现，交换可以成为免疫谷干扰工程面内掺杂剂沿特定的结晶方向放置。一个类似真空的行为被恢复，其中的交换是最大化的施主轨道之间的重叠，和对对的变化限制到一个因素小于10，考虑到掺杂剂定位的准确性。这种鲁棒性保持在很大的距离范围内，从高保真量子计算相关的强库仑相互作用机制到硅中量子模拟感兴趣的强耦合施主阵列。
2021-05-23 cond-mat.mes-hall
Valley splitting depending on the size and location of a silicon quantum dot
本文利用有效质量方法研究 SiGe/Si/SiGe 异质结构中硅量子点尺寸和位置对谷劈裂的影响，发现量子点尺寸可增强谷劈裂、诱导无序主导到确定性增强的转变，并降低谷劈裂变异性，对电荷/自旋穿梭具有意义。
2023-10-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Genetic Design of Enhanced Valley Splitting towards a Spin Qubit in Silicon
硅（Si）中的电子自旋是量子比特（量子计算的逻辑单位）的竞争者，因为它具有出色的自旋相干特性和与标准电子学的兼容性。在Si基质中进行自旋量子计算的一个显著限制是这种材料的导带的轨道简并性，这使得自旋1/2态不能成为孤立的二能级系统。到目前为止，可用的由Ge-Si合金势垒包覆的Si量子阱的样品提供相对小的谷分裂（VS），具有ImeV或更小的量级，降低了在Si中以自旋“向上”和“向下”状态编码的量子位的保真度。在这里，基于原子分辨赝势理论，我们证明了有序的锗硅层状障碍限制硅板可以利用提高VS在活性硅区的一个数量级相比，随机合金障碍迄今为止。生物启发的遗传算法搜索，以确定神奇的Ge/Si层序列的超晶格屏障，隔离电子基态在一个单一的山谷组成VS高达9毫电子伏。增强的VS与不同物种之间的合理的层间混合被保留，并且有趣的是即使发生一些较大的混合也被“保护”。在现代超晶格生长技术的范围内，实现屏障的优化层序列，以实际系统的方式克服了与轨道简并性相关的主要电流限制，从而为Si中的可靠的仅自旋量子计算提供了路线图。
2013-03-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Valley Kondo Effect in Silicon Quantum Dots
近年来，利用硅制造量子点的进展为观察与谷自由度相关的近藤效应开辟了前景。我们使用具有无限库仑相互作用$U$的Anderson模型计算了量子点的态密度，该模型的结构模拟了量子点的非线性电导。用运动方程法计算了近藤体系的态密度随温度和外加磁场的变化关系。我们发现，有一个非常复杂的峰结构附近的费米能，有几个签名，区分这种自旋谷近藤效应从通常的自旋近藤效应在GaAs点。我们还表明，谷指数一般不保守时，电子隧道进入硅点，虽然这种不保守的程度预计是样品依赖性。我们确定的电导，应该使实验人员了解塞曼分裂和谷分裂的相互作用，以及隧道的依赖谷自由度的功能。
2007-01-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Coherent spin-valley oscillations in silicon
硅量子点中的电子自旋是优秀的量子比特，因为它们具有长的相干时间、高的栅极分辨率，并且与先进的半导体制造技术兼容。谷自由度是Si自旋量子比特中电子的一个独特特征，它是由Si能带结构的特殊性引起的。然而，不同谷能级之间的微小能量差异常常对Si中的量子计算构成挑战。在这里，我们表明，在Si中的自旋谷耦合，使不同的自旋和谷量子数的状态之间的过渡，使相干控制的电子自旋在Si中。我们演示了在没有交流磁场或电场的情况下，对Si/SiGe双量子点中有效单电子和双电子自旋态的相干操纵。我们的结果表明，谷自由度，这往往被认为是一个不便，本身可以使量子操纵的电子自旋态。
2021-11-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electric-field tuning of the valley splitting in silicon corner dots
我们对奈米线场效电晶体中的矽角点进行激发态光谱分析，以评估谷分裂的电场可调性。首先，我们展示了一个单量子点和一个双量子点之间的背栅控制的过渡并联，允许调整设备中的角点形成。我们发现谷分裂对背栅电压的线性依赖性，从$880~μ\text{eV}$到$610~μ\text{eV}$，斜率为$-45\pm 3~μ\text{eV/V}$（或等效地，相对于有效场的斜率为$-48\pm 3~μ\text{eV/(MV/m)}$）。紧束缚模拟，包括表面粗糙度的影响，远程电荷在栅极堆叠和离散掺杂剂在沟道中的实验结果的支持。我们的研究结果展示了一种电调谐基于绝缘体上硅的量子点中的谷分裂的方法，这是实现硅自旋量子比特的全电操纵的要求。
2018-07-23 cond-mat.mes-hall
Donor-driven spin relaxation in multi-valley semiconductors
我们提出了一个理论的自旋弛豫的电子由于散射的中心电池电位的杂质在硅中。考虑到导带的多通道性质和平移对称性的破坏，自旋翻转幅度由这种短程杂质散射主导，之后电子被转移到$k$空间中不同轴上的谷（所谓的$f$过程）。这些$f$ -过程在所有温度下主导自旋弛豫，其中在低温下散射离开杂质中心晶胞主导，并且在升高的温度下与$Σ$ -轴声子散射。据我们所知，该理论是第一个解释和精确量化的自旋弛豫杂质身份的依赖性。因此，新的形式填补了长期以来$n$型硅自旋弛豫理论的空白，它是有价值的硅基自旋电子器件的表征。
2014-07-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Integer quantum Hall effect on a six valley hydrogen-passivated silicon (111) surface
本文报道了在氢钝化的Si（111）表面与真空界面处的反型层中形成的二维电子系统的磁输运研究。在整数量子霍尔制度的测量表明，这些表面的预期六倍谷简并被打破，导致在不平等的占领的六个山谷和各向异性的电阻。我们假设Si表面的取向错误将谷态打破为三个不等间隔的对，但是奇数填充因子的观察很难与非相互作用电子理论相一致。
2007-05-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
How valley-orbit states in silicon quantum dots probe quantum well interfaces
硅量子点中谷轨道态的能量是由界面粗糙度、轨道限制和电子相互作用之间的相互作用决定的。在这里，我们报告测量的一个和两个电子的谷轨道状态的能量点电位被修改通过改变栅极电压，我们计算这些相同的能量使用全配置相互作用计算。这些结果使人们能够理解物理贡献之间的相互作用，并能够对量子阱界面进行新的探测。
2022-04-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Non-adiabatic quantum control of valley states in silicon
非绝热量子效应，经常在实验上观察到半导体纳米器件，如单电子泵工作在高频率，可能会导致不希望的和不可控的行为。然而，当与硅固有的谷自由度结合时，这些不利的影响可以用于量子信息处理方案。利用薛定谔方程的显式时间演化，数值研究了SiGe/Si异质结构中量子点中电子两个最低谷态之间的非绝热跃迁.当量子点的中心变化时，在顶部SiGe/Si界面处存在单个原子层台阶在电子光谱中打开了反交叉。我们表明，一个电场施加垂直的接口允许调谐的反交叉能隙。结果，通过使电子移动通过该反交叉，并且通过电改变能隙，可以电控制两个最低谷态的概率。
2021-11-22 cond-mat.mes-hall
Electrically Protected Valley-Orbit Qubits in Silicon
限制在Si量子点中的电子具有轨道、自旋和谷自由度（d.o.f.）。我们利用朗道-齐纳-斯塔克伯格-马约拉纳（Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana，LZSM）干涉法对与微波腔强耦合的硅双量子点进行谷值d.o.f.所得到的LZSM干涉图案是不对称的，作为一个功能的水平失谐和持续的驱动周期是比典型的电荷退相干时间长得多。通过相关的LZSM干扰图案与电荷噪声测量，我们表明，谷轨道杂化提供了一些保护，从电荷噪声的有害影响。我们的工作开启了利用d.o.f.山谷的可能性。在硅中设计电荷噪声不敏感的量子比特。
2018-05-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Multi-valley envelope function equations and effective potentials for P impurity in silicon
本文提出了一个不含拟合参数的实空间包络函数方程组，用于模拟硅中磷施主原子的电子光谱和波函数。该方法依赖于伯特-福尔曼包络函数表示，并导致耦合有效质量薛定谔方程包含光滑的有效势。这些电位是由施加在包络函数表示中的精确势能矩阵元素上的空间滤波产生的。根据包络函数的定义确定相应的滤波器函数。由此产生的有效势和包络函数系统共同再现谷轨道耦合效应在掺杂硅。不仅包括1 s原子轨道的谷轨道耦合，而且还包括2s原子轨道的谷轨道耦合，以及静态介电屏蔽被发现对准确再现实验数据至关重要。结合能的最大相对误差为1.53%。计算的波函数与扫描隧道显微镜提供的电子密度的实验测量值吻合得很好。
2016-11-17 cond-mat.mes-hall
Valley splitting in strained silicon quantum wells
基于定域轨道方法，提出了一种描述硅量子阱中谷分裂现象的理论。该理论适用于低电子密度的限制，并与所提出的量子计算架构相关。谷分裂计算的现实设备使用定量纳电子建模工具NEMO。一个简单的，解析可解的紧束缚模型的发展，它产生了许多物理见解，它再现了分裂的NEMO结果的行为。分裂一般是非零的，即使在电场的情况下，与以前的作品。方阱中的分裂作为量子阱中的层数S的函数振荡，其周期由布里渊区中的谷最小值的位置确定。分裂的包络衰减为$S^3$。最后讨论了在现代Si/SiGe异质结构中实验观察这种振荡的可行性。
2003-09-29 cond-mat.mes-hall
Electrically driven electron spin resonance mediated by spin-valley-orbit coupling in a silicon quantum dot
利用电压依赖性电场操纵电子自旋的能力是量子自旋电子器件（诸如基于自旋的半导体量子比特）的操作的关键。电自旋控制的一种自然方法是利用所有材料中固有的自旋轨道耦合（SOC）。到目前为止，这种方法还不能应用到硅中的电子，由于其非常弱的SOC。在这里，我们报告了一个实验实现的电驱动的电子自旋共振在绝缘体上硅（SOI）纳米线量子点设备。底层驱动机制的结果从SOC和硅导带的多谷结构，这是增强在调查的纳米线几何形状之间的相互作用。我们提出了一个简单的模型捕捉基本的物理和使用紧束缚模拟更定量的分析。我们讨论了我们的研究结果的相关性，在硅中的紧凑和可扩展的电子自旋量子比特的发展。
2018-02-07 cond-mat.mes-hall
Disorder-induced valley-orbit hybrid states in Si quantum dots
硅中的量子点是实现固态量子信息处理的有希望的候选者。理解硅的多导带谷对这些器件性能的影响是很重要的。在这里，我们介绍了一个新的，系统的有效质量理论的谷轨道耦合在无序硅系统。该理论揭示了谷轨道杂化效应，这对于在谷自由度中存储量子信息是有害的，包括谷态之间的非零偶极矩阵元素和改变的谷间隧穿。
2013-05-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Observation of Inter-Valley Gap Anomaly of Two Dimensional electrons in Silicon
本文系统地研究了高质量Si二维电子系统中奇整数量子霍尔态$ν=3$和δ在倾斜磁场下的能隙。在符合区之外，谷分裂与面内B场无关。然而，在重合的任一侧，$ν=3$谷隙相差约3倍（$Δ_v\sim$ 0.4K对1.2K）。更令人惊讶的是，当接近重合角时，$ν=3$和δ处的能隙不是减小到零，而是迅速上升。我们认为这种反常现象与近简并朗道能级的强耦合有关。
2005-10-21 cond-mat.mes-hall
Valley dependent anisotropic spin splitting in silicon quantum dots
硅量子点（QD）中的自旋量子位由于其异常长的相干时间和与硅晶体管平台的兼容性而具有吸引力。为了实现用于量子位可缩放性的自旋的电控制，最近的实验已经利用来自集成微磁体的梯度磁场来产生自旋和电荷之间的非本征耦合，从而电驱动电子自旋共振（ESR）。然而，硅量子点中的自旋经历了自旋、电荷和谷自由度之间复杂的相互作用，受到限制界面的原子尺度细节的影响。在这里，我们报告的实验观察到的谷依赖的各向异性自旋分裂的硅量子点与集成的微磁铁和外部磁场。我们表明，原子计算的自旋轨道相互作用（SOI），这是经常被忽略的体硅，起着重要的作用，在测量的各向异性。此外，不均匀性，如界面台阶强烈影响自旋分裂和它们的谷依赖性。这种对控制谷依赖自旋性质的内在和外在因素的原子尺度理解是在Si QD中成功操纵量子信息的关键要求。
2017-08-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Valley filtering and spatial maps of coupling between silicon donors and quantum dots
交换耦合是基于自旋的量子技术的关键成分，因为它可以用来纠缠自旋量子比特并创建逻辑自旋量子比特。然而，硅中的电子谷自由度对交换相互作用的影响是目前重要的开放问题的主题。在这里，我们调查的影响交换谷在耦合施主/量子点系统，最近提出的方案的鲁棒量子信息处理的基本组成部分。利用扫描隧道显微镜针尖对量子点进行亚纳米级的精确定位，我们发现了一种近似单调的交换特性，其中与谷自由度相关的晶格非周期调制占交换的比例小于2~ 1%。由此，我们得出结论，保留施主的$\pm x$和$\pm y$谷指数的谷内隧穿过程被过滤出与$\pm z$谷量子点的相互作用，并且其中电子谷指数变化的$\pm x$和$\pm y$谷间过程是弱的。通过紧束缚计算交换与供体深度的补充，证明静电可调谐的供体/量子点交换可以用来补偿剩余的intravalley $\pm z$振荡，以实现均匀的相互作用，在一个阵列中的高度相干的供体自旋。
2018-09-01 cond-mat.mes-hall
Full configuration interaction simulations of exchange-coupled donors in silicon using multi-valley effective mass theory
硅中施主自旋的相干时间和单量子比特门的量子效率都达到了创纪录的水平。开发的下一阶段涉及展示高保真双量子位逻辑门，其中最自然的耦合是交换相互作用。为了帮助可扩展的基于施主的量子处理器的有效设计，我们使用多谷有效质量理论中的全组态相互作用方法来建模双电子波函数。我们利用我们的代码的高计算效率，调查交换相互作用，谷人口，和电子密度为两个磷施主在广泛的晶格位置，方向，并作为一个功能的应用电场。结果通过交互式图像可视化，其中可以扫描供体位置，同时观察谷和轨道组件相应地演变。我们的研究结果提供了一个物理上直观和定量准确的理解的位置和调谐标准，以实现高保真度的两个量子位门与硅中的施主。
2020-12-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultrafast room-temperature valley manipulation in silicon and diamond
Charles University（查理大学）
本研究提出了一种在硅和钻石中实现室温超快谷极化电子操控的技术，通过单向间隔谷散射实现快速谷电子态的生成与读取，为太赫兹频率谷电子器件的发展提供了新途径。
2025-04-15 cond-mat.mes-hall physics.optics
Valley Polarization in Si(100) at Zero Magnetic Field
通过输运测量研究了SiO $_2$ /（100）Si/SiO $_2$量子阱中的谷分裂现象，它提高了最低两个谷态的简并度.我们表明，谷分裂可以直接观察到的电导定义谷非极化和极化区域之间的边界的一个步骤。这种现象在远高于液氦温度时仍持续存在，并且与磁场无关，这表明即使在零磁场下，（100）硅中也存在单粒子谷分裂和谷极化。
2006-06-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Relaxation of excited spin, orbital, and valley qubit states in single electron silicon quantum dots
我们扩展了以前的工作，在量子计算的背景下，对待理想的，单电子，硅量子点的低激发态的弛豫物理。这些状态有三种类型：轨道、谷和自旋。弛豫时间敏感地依赖于系统参数，如点的大小和外部磁场。然而，一般来说，应变硅的轨道弛豫时间很短（从十分之一微秒到皮秒），自旋弛豫时间很长（微秒到大于秒），而谷弛豫时间预计介于两者之间。重点是由于声子的发射或吸收的弛豫，但对于自旋弛豫，我们也考虑竞争机制，如电荷噪声。在适当的情况下，与参考系进行比较，例如III-V材料中的量子点和硅施主态。声子瓶颈效应被证明是相当小的硅点的兴趣。我们比较的理论预测最近的一些自旋弛豫实验和评论的非理想点的可能影响。
2013-02-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Complete measurement of tunnel- and valley-coupling parameters in a silicon double quantum dot
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；University of Chicago（芝加哥大学）
研究硅双量子点中隧穿和谷耦合参数，通过全面表征谷内和谷间隧道耦合及其复相位，揭示其对可测量参数的控制作用，完善了对谷耦合全样本变化及相关物理参数的理解。
2026-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Effect of quantum Hall edge strips on valley splitting in silicon quantum wells
我们确定的能量分裂的导带谷的二维电子局限于低无序硅量子阱。我们探测谷分裂依赖于两个垂直磁场$B$和霍尔密度进行激活能测量在量子霍尔制度在很大范围内的填充因子。谷分裂能级的迁移率间隙随$B$线性增加，并且显著地与霍尔密度无关。的数据是一致的运输模型，其中谷分裂依赖于增量变化的密度$eB/h$跨量子霍尔边缘带，而不是体积密度。基于这些结果，我们估计，谷分裂增加的密度在116 $μ$ eV/10 $^{11}$ cm $^{-2}$，与理论预测接近完美的量子阱顶部接口。
2020-09-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optimal control of a cavity-mediated iSWAP gate between silicon spin qubits
本文研究硅自旋量子比特间腔介导 iSWAP 门的最优控制，通过建模多种误差源与谷自由度影响，揭示门时间与噪声暴露的权衡，并指出超精细噪声和谷物理使最优工作区间转向强自旋-光子耦合的类电荷量子比特。
2022-08-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Effects of Interface Steps on the Valley Orbit coupling in a Si/SiGe quantum dot
硅量子点的谷轨耦合是决定其适用于量子信息处理的关键参数。本文研究了硅量子点中界面台阶对电子谷轨耦合强度和相位的影响。在有效质量近似下，我们发现台阶的位置对决定Si/SiGe量子点中谷轨耦合的大小和相位都很重要.具体地说，我们的数值计算结果表明，谷轨道耦合的幅度可以被抑制高达75%的一个原子单层的步骤，其相位可以改变几乎$π$。当存在两个台阶时，谷轨耦合的最小值甚至可以接近于零。我们还阐明了外加磁场和高轨道态对谷轨道耦合的影响。总的来说，我们的研究结果说明了界面粗糙度如何影响硅中的谷轨道耦合，以及硅中的自旋量子比特如何受到影响。
2019-04-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Impact of g-factors and valleys on spin qubits in a silicon double quantum dot
在硅MOS双量子点系统中定义了单电子自旋量子比特。通过将量子位共振频率映射为门诱导电场的函数，光谱揭示了与谷间自旋轨道耦合一致的反交叉。我们拟合的数据，从中我们提取的谷间耦合强度为43 MHz。此外，我们观察到一个狭窄的共振附近的主要量子位共振时，我们操作的设备在（1，1）电荷配置。实验数据与涉及两个弱交换耦合自旋的模拟一致，g因子差为1 MHz，与Rabi频率相同。我们得出结论，窄共振是T-和T+三重态之间的驱动跃迁的结果，使用ESR信号的频率位于两个单独的自旋的共振频率之间的一半。这里提出的研究结果提供了一种实现双量子比特门的替代方法，与更大规模自旋量子比特系统的操作相关。
2017-02-26 cond-mat.mes-hall
Practical Strategies for Enhancing the Valley Splitting in Si/SiGe Quantum Wells
本文针对 Si/SiGe 量子阱中谷劈裂不均匀问题，理论研究了界面展宽、原子台阶和锗浓度涨落的影响，并提出常规与非常规控制策略，为实现可扩展硅量子计算机中的量子比特均匀性提供了明确路径。
2024-01-11 cond-mat.mes-hall
Giant anisotropy of spin relaxation and spin-valley mixing in a silicon quantum dot
在硅量子点中，在通常称为“热点”的特定磁场下，由于强的自旋谷混合，电子自旋弛豫速率（T_1^（-1））可以急剧增强。在这里，我们实验发现，与78.2 ${\pm}$ 1.6 $μ$ eV的谷分裂，这个热点在自旋弛豫可以被抑制超过2个数量级时，面内磁场是在一个最佳的角度，约9°从[100]样品平面。这种方向各向异性表现出具有180°周期性的正弦调制。我们解释了这种调制的幅度和相位使用一个模型，占自旋谷混合和intravalley自旋轨道混合。通过将电场和谷分裂调谐到268.2 ${\pm}$ 0.7 $μ$ eV，也证实了这种现象的普遍性。
2020-06-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Two-electron spectrum of a silicon quantum dot
University at Buffalo, SUNY（纽约州立大学布法罗分校）；Quaid-i-Azam University（奎德-阿扎姆大学）
研究硅量子点中双电子单重态和三重态的能谱及谷-轨道耦合对低能态组成的影响，探讨谷阻塞和磁场对量子比特编码与测量的潜在影响。
2026-03-25 cond-mat.mes-hall
Confinement drives valley splitting above 4K in buried silicon quantum wells
QuTech and Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学奎克研究所与卡弗里纳米科学研究所）；Department of Physics, University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校物理系）
研究埋入式硅量子阱中单电子自旋量子比特能量尺度，通过测量四个量子点阵列相关数据，发现静电限制可增强谷分裂，为低无序异质结构中实现特定架构建立可行途径。
2026-07-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
