Relaxation of Shallow Donor Electron Spin due to Interaction with Nuclear Spin Bath
我们研究了浅施主的低温动力学，例如，$^{31}$ P，硅中的杂质电子自旋，与$^{29}$ Si同位素的核自旋池相互作用。对于小的外加磁场，电子自旋弛豫由核自旋的稳态分布控制。我们计算了弛豫时间$T_1$和$T_2$随外磁场的变化，并得出在低磁场下，核自旋在Si：P中施主电子自旋退相干中起重要作用的结论.
2002-03-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Phosphorus Spin Coherence Times in Silicon at Very Low Temperatures
用脉冲电子自旋共振技术在极低温度下测量了同位素纯28硅中磷施主的自旋相干性。孤立自旋T2随磷浓度的变化出乎意料
2010-09-22 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Electron spin coherence of shallow donors in natural and isotopically enriched germanium
锗是一种广泛应用于电子和光电子器件的材料，近年来它已成为自旋电子学和量子计算应用的重要材料。当主体材料被同位素富集以去除任何磁核时，硅中的施主自旋已被证明支持非常长的相干时间（$T_{2}$）。锗也具有非磁性同位素，因此预期其支持长$T_{2}$，同时提供一些新性质。与Si相比，Ge具有强的自旋-轨道耦合、大的电子波函数、高迁移率和高度各向异性的导带谷，这些都将产生新的物理。在这封信中，第一个脉冲电子自旋共振（ESR）测量$T_{2}$和自旋晶格弛豫（$T_1$）时间为$^{75}$ As和$^{31}$ P的天然和同位素富集锗的供体。我们比较了不同水平的同位素富集的样品，发现由于$^{73}$ Ge核自旋的光谱扩散限制了具有显著量的$^{73}$ Ge的样品的相干性。对于最高度富集的样品，我们发现$T_1$将$T_2$限制为$T_2 = 2T_1$。我们报告的各向异性$T_1$和沿不同晶轴取向的磁场的系综线宽，但没有解决任何角度依赖于光谱扩散限制的$T_2$样品与$^{73}$锗。
2015-11-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Light-induced nuclear quadrupolar relaxation in semiconductors
已知半导体的光激发通过与光电子的超精细接触相互作用来动态地激发核自旋，也产生固有的核去极化机制。这种新的弛豫过程产生于附近局域态的光电子俘获和复合对核四极哈密顿量的调制。对于浅施主附近的原子核，通常的扩散半径被一个更小的四极半径所取代。如果光激发条件对应于光电子的部分施主占据，则核磁化和核场可以降低一个数量级以上。
2008-04-15 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Electron spin relaxations of phosphorus donors in bulk silicon under large electric field
通过电场调制施主电子波函数对于基于硅中施主自旋的量子计算架构至关重要。对于实际和可扩展的应用，基于施主的量子位必须在任何现实的实验条件下保持足够长的相干时间。在这里，我们提出了脉冲电子自旋共振研究的纵向$(T_1)$和横向$(T_2)$弛豫时间的磷施主在体硅与不同的电场强度，直到近雪崩击穿在约1.2 T的高磁场和约8 K的低温。我们发现，$T_1$弛豫时间显着减少下，由于电流的大电场，和$T_2$的影响，因为$T_1$过程可以占主导地位的退相干。此外，我们表明，硅中的磁阻效应可以被利用作为一种手段，以打击减少的相干时间。虽然量子位相干时间必须比量子门时间长得多，但是当量子位状态初始化依赖于热平衡时，可以发现电加速的$T_1$是有用的。
2020-03-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Line Broadening and Decoherence of Electron Spins in Phosphorus-Doped Silicon Due to Environmental 29^Si Nuclear Spins
利用脉冲电子自旋共振技术，在8K下测量了掺磷硅单晶（f = 0.19% ≤ 99.2%）中29^Si同位素的浓度，系统地研究了环境29^Si核自旋对施主电子自旋的影响.作为f的函数的线宽示出了与理论分析的良好协议。我们还报道了施主电子自旋的相位记忆时间T_M依赖于f和相对于外磁场的晶轴。
2005-12-16 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
High-field Overhauser DNP in silicon below the metal-insulator transition
单晶硅是探索动态核极化（DNP）的优秀系统，因为它表现出作为掺杂浓度和温度的函数的从金属到绝缘的连续性质。在低掺杂浓度下，已经观察到DNP通过固体效应发生，而在非常高的掺杂浓度下，奥弗豪泽机制负责。在这里，我们报告了n型掺杂硅晶体中29 Si的超极化，掺杂浓度范围为1-3 x 10^17 /cc。在这种制度下，捐助者之间的交流互动变得极其重要。在我们的实验中的增强的迹象和它的频率依赖性表明，29 Si的自旋直接极化的施主电子通过交换耦合施主集群内的Overhauser机制。供体之间的交换相互作用仅需要大于硅超精细相互作用（通常比供体超精细耦合小得多）以实现该奥弗豪瑟机制。核极化增强观察到的范围内的捐助者集群中的交换能量是可比的捐助者超精细相互作用。的DNP动力学的特征在于由一个单一的指数时间常数，取决于微波功率，表明Overhauser机制是限速步骤。由于只有大约2%的硅核位于施主电子的一个玻尔半径内，核自旋扩散在将极化转移到所有自旋中是重要的。然而，由于相对较弱的硅超精细耦合强度，自旋扩散时间比奥弗豪瑟时间短得多。在2.35 T磁场和1.1 K下，我们观察到微波辐射两小时后$244 +/- 84 resulting in a silicon polarization of $ 10.4 +/-3.4%的DNP增强.
2011-09-08 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Inductive measurement of optically hyperpolarized phosphorous donor nuclei in an isotopically-enriched silicon-28 crystal
我们在实验上证明了在同位素富集的硅-28晶体中的光学超极化磷-31供体核自旋的感应读出。晶体中磷供体的浓度为1.5 × 10 $^{15}$ cm $^{-3}$，比先前通过直接感应检测检测到的低三个数量级。在来自1 cm $^3$样品（$\approx 10^{15}$自旋）的单个自由感应衰减中测量的信噪比为113。通过将样品转移到X波段ESR谱仪，我们能够获得在1.7 K的64%的核自旋极化的下限。在1.7 K下，用Hahn回波序列测量的$^{31}$ P-T $_{2}$为420 ms，用Carr Purcell循环将其延长至1.2 s。$^{31}$ P核自旋在1.7 K时的T $_1$非常长，无法确定，因为即使在4.5小时的时间尺度上也没有观察到衰变。用1047 nm激光器进行光激发，其提供硅的带隙以上激发。在4.2 K下的超极化的建立遵循单指数的特征时间为577 s，而在1.7 K下的建立表现出双指数行为的特征时间常数为578 s和5670 s。
2014-12-12 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nuclear spin relaxation mediated by donor-bound and free electrons in wide CdTe quantum wells
本文研究宽 CdTe 量子阱中核自旋弛豫机制，揭示 CdTe/(Cd,Zn)Te 中施主束缚电子导致零场快速弛豫而磁场增大时因扩散势垒减慢，CdTe/(Cd,Mg)Te 中残余电子气主导弛豫，并实现亚微开尔文核自旋冷却。
2024-05-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Device fabrication and transport measurements of FinFETs built with $^{28}$Si SOI wafers towards donor qubits in silicon
我们报告使用同位素纯化的绝缘体上硅-28（28-SOI）衬底的FinFET几何结构中的晶体管的制造。天然硅中的施主电子自旋相干性由于残留的$^{29}$ Si核自旋浴而受到光谱扩散的限制，使得同位素富集的核无自旋$^{28}$ Si衬底成为用于形成自旋量子位器件的有希望的候选者。FinFET架构与基于供体的量子位的单离子注入检测以及通过自旋共振的电检测的供体自旋状态读出完全兼容。我们描述了设备的处理步骤，并讨论了在0.3 K的电输运测量结果。
2009-06-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Inelastic Charge Transfer Dynamics in Donor-Bridge-Acceptor Systems Using Optimal Modes
我们提出了一种新的{ \em从头计算}方法计算分子内的电荷和能量转移率的基础上的投影算子计划，解析出特定的内部核运动，伴随着电子跃迁。我们的方法将电子和核自由度之间的耦合集中到少量的约简谐模式中，这些约简谐模式可以写成分子系统关于给定电子极小值的振动正常模式的线性组合。使用时间卷积主方程的方法，参数化的精确的量子化学方法，我们基准的方法对实验结果和预测从马库斯理论的三重态能量转移的一系列供体桥受体系统。我们发现，只使用一个单一的约化模式-称为“主”模式，得到一个准确的评价的黄金法则速率常数和洞察负责耦合的初始和最终的电子状态的核运动。我们证明了该方法的实用性，通过计算模型的供体-桥-受体复合物的非弹性电子跃迁速率，实验表明，其激子转移途径可以从根本上修改其振动模式的模式特异性红外激发。
2016-12-20 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Long spin coherence in silicon with an electrical spin trap readout
本文报道了在极强磁场（B > 8.5 T）和低温（T = 2.8 K）条件下，体硅中磷（~（31）P）的脉冲电探测磁共振。我们发现，与自旋-电荷转换的其他机制相比，同样高度极化的31 P施主电子对高度极化（>95%）传导电子的自旋相关捕获和再发射引入的退相干更少。这允许超过100微秒的自旋相干时间的电检测：比电检测自旋读出实验的先前最大值长50倍。
2008-09-18 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Pulsed ESR Measurement of Coherence Times in Si:P at Very Low Temperatures
本文用自行设计的X波段毫开尔文脉冲ESR系统测量了同位素纯度为99.92%的28硅中磷施主自旋的退相干时间。在4.2K和0.9K下，孤立的P自旋T_2分别为260（50）ms和330（100）ms。
2010-02-22 cond-mat.mtrl-sci
Enhancing Spin Coherence of Optically-Addressed Molecular Qubit by Nuclear Spin Hyperpolarization
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；PSI Center for Neutron and Muon Sciences（瑞士保罗谢勒研究所中子与μ子科学中心）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
通过三重动态核极化技术抑制核自旋浴引起的退相干，提升分子量子比特的自旋横向相干时间，实验显示自旋回波衰减时间增强25%，并验证了核极化对相干时间的定量影响。
2026-03-31 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph quant-ph
Shallow donor wavefunctions and donor-pair exchange in silicon: Ab initio theory and floating-phase Heitler-London approach
硅中浅施主的电子和核自旋是量子计算机中量子比特的有吸引力的候选者。浅施主交换门经常被调用来执行这种提议中的两个量子比特操作。本文采用密度泛函和赝势框架下的{ \it ab initio}计算方法，结合Si导带六个带边的全Bloch态，采用Kohn-Luttinger包络函数方法研究了Si中浅施主电子的性质.硅的导带边态之间的谷间干涉导致单电子束缚态电荷分布和双电子态交换耦合的振荡行为。施体电子电荷分布的行为受到来自Bloch函数的平面波和周期部分的干扰的强烈影响。对于两个捐助者，在海特勒-伦敦（HL）的方法内计算的交换耦合的振荡是由于单独的布洛赫函数的平面波部分，这是钉扎到杂质网站。该结果的鲁棒性通过放松对供体位点的相位钉扎来评估。我们介绍了一个更一般的理论方案，浮动相HL，从以前报道的施主交换振荡行为定性和定量证实。浮相形式主义提供了一个“假设”，即如何在理论上预测与更一般的限制势（如量子点）中的电子束缚态相关的电子特性中振荡行为的发生。
2004-11-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Coherence of Spin Qubits in Silicon
考虑到半导体器件对经典计算的有效性，人们自然会考虑用于固态量子信息处理的半导体系统。半导体特别适用于需要局部控制电场和电荷传输的场合。传统的半导体电子器件是建立在这些能力之上的，并且已经证明可以扩展到大型复杂的互连器件阵列。然而，量子计算机的要求与经典计算的要求非常不同，如何在半导体中构建量子计算机并不明显。一种可能的方法是使用自旋作为量子比特：原子核的，电子的，或两者的组合。长的量子比特相干时间是量子计算的先决条件，在本文中，我们将讨论硅中自旋相干性的测量。结果是令人鼓舞的-无论是电子绑定到施主和施主核表现出低退相干在适当的情况下。因此，掺杂硅似乎通过了通往量子计算机之路的第一次测试。
2005-12-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Hydrogenic Spin-Valley states of the Bromine donor in 2H-MoTe$_2$
本研究通过电子自旋共振和扫描隧道谱，发现2H-MoTe$_2$中的溴掺杂剂具有长纳秒相干时间的自旋，并证明其氢波函数与Q-谷杂化，从而继承锁定自旋-谷特性，为量子比特编码提供新途径。
2023-05-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electron spin echo relaxation and envelope modulation of phosphorus shallow donors in silicon
单施主原子的自旋是在硅中进行大规模量子信息处理的有吸引力的候选者，因为量子计算可以通过操纵电子和/或核自旋来实现。我们在这里报告的双脉冲电子自旋回波实验的磷浅施主在天然和28 Si富集硅外延层掺杂10^16 cm-3的P施主。实验解决了自旋-自旋弛豫时间和机制，并提供，通过电子自旋回波包络调制（ESEEM）的效果，信息的施主电子波函数。作为脉冲转向角的函数进行的实验使我们能够测量由瞬时扩散净化的指数弛豫和光谱扩散时间。根据这些结果，同位素纯化的样品是必要的，以减少光谱扩散的贡献和P浅施主浓度起着根本性的作用，在确定本征相位记忆时间。ESEEM峰已被分配到超精细耦合的硅-29原子核在特定的晶体位置的基础上的光谱拟合程序，包括仪器失真。
2005-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Stark Tuning of Donor Electron Spins in Silicon
本文报道了用脉冲电子自旋共振法测量硅中121Sb施主电子自旋的斯塔克位移。在Sb注入的28 Si外延层的顶部上的叉指金属栅极用于施加电场。解决了两个斯塔克效应：电子和核自旋之间的超精细耦合的施主和电子塞曼g因子的减少。超精细项在0.35 T的X波段磁场下占主导地位，而g因子项预计在更高的磁场下占主导地位。一个显着的线性斯塔克效应也解决了可能产生的应变。
2006-03-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Quantum spin coherence in halogen-modified Cr$_7$Ni molecular nanomagnets
决定分子磁体中自旋的量子相干性的因素之一是分子中核自旋的存在和性质。我们已经探索了通过用氘或卤素原子、氟或氯取代氢原子来修改Cr $_7$ Ni基分子纳米磁体中的核自旋环境。我们发现，自旋相干性，在低温下脉冲电子自旋共振研究，修改了一系列的因素，包括核自旋和磁矩，由于核质量的动态变化，和分子形态的变化。
2014-10-30 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph quant-ph
$T_1$- and $T_2$-spin relaxation time limitations of phosphorous donor electrons near crystalline silicon to silicon dioxide interface defects
含磷施主电子自旋和自旋相关电子跃迁的研究（111）取向的结晶硅（c-Si）附近的（$^{31}$ P）原子与二氧化硅接触在液态$^4$ He温度（$T = 5$ $\mathrm{K} - 15$ $\mathrm{K}$）下，给出了[ $^{31}$ P]= 10 $^{15}$ $\mathrm{cm}^{-3}$和[ $^{31}$ P] = 10 $^{16}$ $\mathrm{cm}^{-3}$的（SiO $_{2}$）界面.使用脉冲电检测磁共振（pEDMR），观察到的\Phos供体状态和两个可区分的界面状态之间的自旋相关的过渡，即（i）\Pb中心，可以通过其特征各向异性和（ii）一个更各向同性的中心，这是由于E $^\prime$缺陷的\sio散装接近的接口。自旋相关复合的动力学的相关测量证实，先前提出的\Phos和界面缺陷之间的过渡发生。这些电子近界面跃迁对\Phos施主自旋相干时间$T_2$以及施主自旋-晶格弛豫时间$T_1$的影响，然后通过比较从常规的体敏脉冲电子顺磁共振和表面敏感的pEDMR，以及表面敏感的电检测反转恢复实验获得的自旋哈恩回波衰减测量。测量结果表明，$T_2$和$T_1$的\Phos施主电子自旋附近的能量较低的界面态在$T\leq 13$ K减少了几个数量级。
2009-05-04 cond-mat.mtrl-sci
Spin selective charge recombination in chiral donor-bridge-acceptor triads
在本文中，我们概述了一个物理动机的框架来描述手性系统中的自旋选择性重组过程，从中我们推导出自旋选择性反应算子的供体-桥-受体分子的重组反应，其中电子转移介导的手性和自旋轨道耦合。一般来说，复合过程只对单重态和三重态之间的自旋相干性有选择性，而对自旋极化一般没有选择性。我们发现，自旋极化选择性只出现在跳跃介导的电子转移。我们描述了如何有效的自旋极化选择性是一个结果的自旋极化产生瞬态的中间状态。复合过程也增强了电荷分离态的相干自旋动力学，这被发现对复合动力学有显着的影响，并破坏任何长寿命的自旋极化。虽然我们只考虑了一个简单的供体-桥-受体系统，我们在这里提出的框架可以直接扩展到描述更复杂的复杂系统中的自旋选择性复合过程。
2023-03-08 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph physics.chem-ph
Silicon-based spin quantum computation and the shallow donor exchange gate
提出的硅基量子计算机架构已经引起了人们的关注，因为它们的可扩展性和协同利用与现有Si技术基础设施相关的可用资源的潜力。硅中浅施主（例如磷）的电子和核自旋是这种提议中量子位的理想候选者，其中浅施主交换门经常被调用以执行双量子位操作。在这种情况下，一个重要的潜在问题是，谷间干扰起源于Si导带边缘的简并导致施主交换耦合的快速振荡，这对Si量子计算机架构施加了显着的约束。我们讨论了这种振荡的理论起源。考虑到两个替代施主在Si中，我们提出了一个系统的统计研究的相对位置分布和由此产生的交换分布之间的相关性。
2004-07-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Dynamic Polarization and Relaxation of 75As Nuclei in Silicon at High Magnetic Field and Low Temperature
本文报道了~（75）As在硅晶体中的动态核极化和弛豫实验结果。实验在4.6T的强磁场和低于1 K的温度下进行。在这些条件下，施主电子自旋完全极化，并且很好地解决了允许和禁止ESR跃迁。我们证明了有效的核极化的75砷核通过奥弗豪泽效应的时间尺度上的几百秒。禁戒跃迁的激发通过固体效应导致极化。施主核的弛豫速率具有很强的温度依赖性，具有Orbach过程的特征。
2016-11-14 cond-mat.mtrl-sci
Host isotope mass effects on the hyperfine interaction of group-V donors in silicon
通过对同位素工程Si单晶的脉冲电子核双共振（ENDOR）谱研究，揭示了硅中V族施主的超精细相互作用受宿主同位素质量的影响.每个超精细分裂的P-31，As-75，Sb-121，Sb-123和Bi-209 ENDOR线进一步分裂成多个分量，其相对强度精确地匹配由于三种稳定同位素Si-28，Si-29和Si-30的随机占据而导致的四个最近邻位点中九种可能的平均Si质量的统计似然性。用P-31供体的进一步研究表明，分辨的ENDOR分量随体平均Si质量线性偏移。
2014-07-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spatial Imaging and Mechanical Control of Spin Coherence in Strained GaAs Epilayers
利用时间分辨克尔旋转、光致发光和光探测核磁共振谱研究了单轴拉伸应变对n型GaAs外延层自旋相干性的影响。带隙，电子自旋寿命，电子g因子，和核四极分裂同时成像超过毫米级面积的外延层连续变化的应变值。全光学核磁共振技术允许在使用常规光学检测的核磁共振不容易寻址的场状态中访问应变诱导的核四极共振分裂。
2005-11-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Silicon-based spin and charge quantum computation
基于硅的量子计算机架构已经引起了人们的关注，因为它们具有可扩展性的承诺以及协同利用与现有Si技术基础设施相关的可用资源的潜力。由于相对较长的自旋相干时间，Si中浅施主（例如磷）的电子和核自旋是量子比特的理想候选者。对于这些自旋量子位，外部门的施主电子电荷操纵是控制和读出单量子位操作的关键因素，而浅施主交换门经常被调用来执行双量子位操作。最近，还提出了基于Si中的P $_2^+$替代分子离子中的隧道耦合的电荷量子比特。考虑到硅电子结构的特殊性，特别是导带边缘的六个简并态，我们讨论了硅中浅施主量子计算所涉及的构建块的可行性。我们发现，这些状态之间的量子干涉不显着影响涉及一个单一的捐助者的操作，但导致快速振荡的电子交换耦合和隧道耦合强度时，捐助者对相对位置的晶格参数尺度上改变。这些研究说明了相当大的潜力，以及巨大的挑战所提出的施主自旋和电荷作为量子位在硅中的候选人。
2005-05-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Terahertz Time-Domain Spectroscopy and Density Functional Theory Analysis of Low-Frequency Vibrational Modes of a Benzoxazolium-Coumarin Donor-pi-Acceptor Chromophore
Indian Institute of Science Education and Research Kolkata（印度科学教育研究学院加尔各答分校）；Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning（斯里萨蒂亚赛高等学习研究所）；Indian Institute of Technology Gandhinagar（甘地纳加尔印度理工学院）
通过太赫兹时域光谱与密度泛函理论分析，研究了BCO+供体-π-受体色心的低频振动模式，揭示其与分子内电荷转移相关的核运动关系。
2025-12-14 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
