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
Donor and Acceptor Levels in Semiconducting Transition Metal Dichalcogenides
密度泛函理论计算表明，它是可能的掺杂半导体过渡金属二硫属化物（TMD），如MoS $_2$和WS $_2$与电子和/或空穴通过化学取代或通过吸附在硫层。值得注意的是，锂和磷（分别为浅施主和浅受主）的活化能小于0.1eV。取代卤素也提出了作为替代捐助者适合不同的温度制度。所有提出的掺杂剂导致非常小的晶格弛豫，因此，预期导致载流子的微小散射。掺杂的MoS $_2$和WS $_2$单层在比3D半导体宽得多的温度范围内是非本征的，这使得它们在高温电子和光电子应用中更优越。
2013-11-05 cond-mat.mes-hall
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 properties of shallow donor qubits in ZnO
晶体中的缺陷是基于光子的量子技术的主要候选者，但开发实用设备的进展关键取决于改善缺陷光学和自旋特性。基于这种需要，我们研究了一种新的缺陷量子比特候选者，ZnO中的浅施主。我们展示了施主量子比特的电子自旋态的全光控制，并测量了自旋相干性。我们发现一个纵向弛豫时间T $_1$超过100毫秒，一个不均匀的退相时间T $_2^*$的$17\pm2$ ns，和一个哈恩自旋回波时间T $_2$的$50\pm13$ $μ$ s。T $_2^*$的大小与天然ZnO中核超精细场的不均匀性一致。限制T $_2$的可能机制包括瞬时扩散和核自旋扩散（光谱扩散）。这些结果与天然硅中的磷供体系统相当，表明通过同位素和化学纯化，可以在直接带隙半导体中获得供体自旋的长量子位相干时间。这项工作激励了进一步研究高纯度材料生长，量子器件制造和高保真控制的施主：ZnO系统的量子技术。
2018-05-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Heterointerface effects on the charging energy of shallow D- ground state in silicon: the role of dielectric mismatch
硅纳米器件中的施主态可以通过附近的绝缘势垒和金属栅极来强烈地修改。我们在这里报告的实验结果表明，在硅FinFET中的隔离作为掺杂剂的充电能量相对于体值的强烈减少。通过研究两个电子绑定到一个浅施主的有效质量的方法内的问题，我们发现，测量的小充电能量可能是由于绝缘体屏蔽和金属栅极的接近的综合效果。
2010-05-07 cond-mat.mes-hall
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
Hyperfine Stark effect of shallow donors in silicon
我们提出了一个完整的理论处理的斯塔克效应在掺杂硅，其预测支持的实验测量。一个多谷有效质量理论，处理非微扰与谷轨道相互作用引起的施主依赖的中央电池的潜力，使我们能够获得一个非常可靠的图片的施主波函数在一个相对简单的框架。用一个新的试验波函数计算的1s施主结合能的变分优化，在赝势与两个拟合参数，允许实验确定的施主能级的准确匹配，而正确的限制行为的电子密度，无论是接近和远离每个杂质核，被捕获通过拟合测得的接触超精细耦合之间的施主核和电子自旋。我们继续包括一个外部均匀的电场，以模型斯塔克物理：没有额外的特设参数，变分最小化的完整的施主基态能量允许在每个杂质核的场诱导的电子密度的减少定量描述。与实验值的接触超精细耦合的位移的详细比较显示非常接近的协议，所有的捐助者测量（P，As，Sb和Bi）。最后，我们估计的施主基态的场电离阈值，从而设置上限的门操作时间为单量子位操作在凯恩类架构：硅：铋系统被证明允许A门快约10 MHz。
2014-08-19 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
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
Donors and Deep Acceptors in $β$-Ga2O3
我们通过对用各种方法生长的样品的温变vanderPauw和霍尔效应测量研究了$β$ -Ga_2 O_3中Si，Ge浅施主和Fe，Mg深受主的性质，这些方法包括边缘限定薄膜馈电（EFG），直拉（CZ），分子束外延（MBE）和低压化学气相沉积（LPCVD）。通过同时，自洽拟合的温度依赖的载流子密度和迁移率，我们能够准确地估计的施主能量的Si和Ge为30毫电子伏的$β$ -Ga 2 O 3。此外，我们表明，我们测量的霍尔效应数据与Si和Ge作为典型的浅施主，而不是浅DX中心是一致的。Fe掺杂的$β$ -Ga 2 O 3的高温霍尔效应测量表明，即使Fe掺杂，材料仍保持弱n型，相对于Fe深受主的导带，受主能量为860 meV。Mg掺杂的Ga 2 O3的Van der Pauw测量表明活化能为1.1eV，如从依赖于温度的电导率确定的。
2018-09-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Donor binding energy and thermally activated persistent photoconductivity in high mobility (001) AlAs quantum wells
两侧具有Si增量调制掺杂的AlAs（001）量子阱的掺杂系列揭示了不同的暗和照射后饱和密度，以及温度依赖的光电导。较低的暗二维电子密度饱和度的解释假设深结合能的δ_DK = 65.2毫电子伏的Si-施主在黑暗中。照射后观察到持续光电导性（PPC），其中较高的饱和密度指示浅的照射后供体结合能。光电导性是热激活的，4K照明需要照射后退火至T = 30 K以使PPC饱和。黑暗和照明后掺杂效率的报告。
2007-09-18 cond-mat.mes-hall
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
Spin coherence of near-surface ionised $^{125}$Te$^+$ donors in silicon
晶体基质中的杂质自旋是量子技术中有前途的组件，特别是如果它们在靠近表面和材料界面时可以保持其自旋特性。在这里，我们研究了微波领域应用的一个有吸引力的候选者，晶体基质中VI族杂质自旋的自旋是量子技术中有前途的组件，特别是如果它们在靠近表面和材料界面时可以保持其自旋特性。在这里，我们研究了微波领域应用的一个有吸引力的候选者，第VI族$^{125}$ Te $^+$施主注入到天然Si中的深度浅至20 nm的自旋。我们表明，表面能带弯曲可以用来电离这样的近表面的Te自旋活性的Te $^+$状态，并可以使用光学照明进一步控制的Te施主电荷状态。我们检查自旋激活产率，自旋线宽，弛豫（$T_1$）和相干时间（\ttwo），并显示如何零场3.5 GHz的“时钟跃迁”扩展自旋相干时间超过1毫秒，这是约一个数量级长于其他近表面自旋系统。
2022-06-02 cond-mat.mes-hall
Isolation of Single Donors in ZnO
本文利用PFIB铣削在商用ZnO衬底中隔离单个铟施主，并通过光学与磁场特性验证，获得线宽接近寿命极限的稳定单施主发射，为可扩展量子器件的光学集成奠定基础。
2024-01-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules
半导体器件继续进入纳米级范围，并且已经出现了新的应用，其中掺杂剂原子的量子性质充当器件的功能部分，强调了探测半导体中少量掺杂剂原子的量子结构的必要性[1-3]。虽然掺杂剂的性质是很好地理解相对于块体半导体，新的问题出现在纳米系统。例如，掺杂剂的量子能级将受到纳米级电极的接近度的影响。此外，由于浅施主和受主类似于氢原子，少量掺杂物的实验有可能成为原子和分子物理学基本问题的试验场，例如具有给定数量正离子的分子的最大负电离[4，5]。在输运研究中观察到通过隔离掺杂剂的电子隧穿光谱[6，7]。此外，Geim及其同事还发现了由于两个紧密间隔的供体而产生的共振，有效地形成了供体分子[8]。在这里，我们提出了使用扫描探针技术的砷化镓异质结构中硅施主的电容光谱测量[9，10]。与Geim等人的工作相反，我们的数据显示了归因于连续进入分子的电子的可辨别的峰。因此，这项工作代表了掺杂剂分子的第一个附加光谱测量。更一般地说，据我们所知，这项研究是直接使用扫描探针尖端进行单电子电容光谱的第一个例子[9]。
2007-12-24 cond-mat.mes-hall
Electric field driven donor-based charge qubits in semiconductors
我们从理论上研究了由外加电场驱动的基于施主的电荷量子比特操作。通过考虑GaAs中束缚在浅施主对上的单电子，给出了该问题的基本物理过程：该系统与同极分子离子H_2^+密切相关。在Si的情况下，还考虑了诸如PSb^+对的异极构型。对于同极和异极对，Si的多径传导能带结构导致隧道耦合强度作为施主间相对位置的函数的短周期振荡。然而，对于任何固定的施主配置，Si中束缚电子对均匀电场的响应在定性上与GaAs的情况非常相似，没有谷量子干涉相关的效应，从而得出电场驱动的基于施主的电荷量子比特的相干操纵在半导体中是可行的结论。
2005-10-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Effects of Incomplete Ionization on Beta - Ga2O3 Power Devices: Unintentional Donor with Energy 110 meV
了解Ga 2 O3中无意掺杂的起源是提高Ga 2 O3基功率器件击穿电压的关键。因此，运输和电容光谱研究已经进行，以更好地了解在Ga 2 O3的无意掺杂的起源。以前未观察到的无意施主在市售的（-201）Ga 2 O 3衬底已通过温度依赖的霍尔效应测量高达1000 K的电特性，并发现具有施主能量为110毫电子伏。通过温度依赖的导纳谱，与通过该技术确定的131毫电子伏的活化能，在协议与霍尔效应测量的存在下，证实了无意的供体。由于这种施主的浓度被确定在10^16 cm^-3的中到高浓度范围内，因此从Ga 2 O3功率电子器件的漂移层中消除这种施主将是突破器件性能极限的关键。事实上，分析评估的具体导通电阻（Ronsp）和击穿电压的肖特基二极管含有110毫电子伏的捐助者表明，不完全电离增加Ronsp和降低击穿电压相比，只含有浅施主的Ga 2 O3肖特基二极管。除了Ronsp和击穿电压之间的通常折衷之外，还发生由于不完全电离而导致的性能降低。为了使Ga 2 O3肖特基二极管器件达到10 kV的工作电压，分析表明，110 meV施主的浓度必须降低到5 × 10^14 cm^-3以下，才能将Ronsp的增加限制在1%以内。
2017-07-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Impact of the valley degree of freedom on the control of donor electrons near a Si/SiO_2 interface
我们分析了谷组成的一个电子绑定到一个浅施主接近Si/势垒界面作为一个功能的应用电场。采用全六谷有效质量模型哈密顿量。对于低场，电子基态基本上被限制在施主处。在高电场下，基态是这样的，即电子被吸引到界面，使施主实际上电离。由于谷-轨道耦合，在界面处发生谷分裂，|V_vo^I| e^{i θ}。在中间电场下，接近特征穿梭场，电子态可以构成具有不同于施主和界面基态的谷成分的杂化态。能级的全谱显示出随场变化的交叉和反交叉。水平排斥的程度，从而反交叉间隙的宽度，取决于相对谷组成，其随|V_vo^I|，θ和界面-施主距离。我们专注于在施主界面隧穿过程中所涉及的状态的谷配置，给出了三个最低的本征态的反交叉。一个序列的两个反交叉发生和复杂的相位θ影响本征态和水平反交叉间隙的对称性。我们讨论了我们的研究结果的实际操作的施主电子在硅纳米结构的影响。
2012-08-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Depth dependence of the ionization energy of shallow hydrogen states in ZnO and CdS
利用低能μ子研究了ZnO和CdS（0001）晶体中10 nm - 180 nm深度范围内的类氢μ子（Mu）浅态的特性，并利用常规μ SR研究了晶体中的类氢μ子浅态的特性.通过在2.5 keV和30 keV之间调节低能量μ子的能量来调节μ子注入深度。我们发现，浅施主类Mu态的体电离能在100 nm的深度处降低了约10 meV，并在接近表面时继续降低。在约10 nm的深度处，与其体值相比，电离能进一步降低25-30 meV。我们将这种变化归因于靠近表面的能带弯曲引起的电场的存在，并且我们确定了简单的一维模型内的电场的深度分布。
2014-10-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Large inverse Faraday effect for Rydberg states of free atoms and isolated donors in semiconductors
本文提出在Rydberg原子和半导体浅掺杂剂中通过逆Faraday效应诱导巨大磁化，理论计算表明其可产生极强的有效磁场，为Rydberg系统的磁化研究提供了新途径。
2025-03-04 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph
Charge qubits in semiconductor quantum computer architectures: Tunnel coupling and decoherence
我们考虑基于硅中浅施主电子态和GaAs中耦合量子点的电荷量子比特。具体而言，我们研究了P $_2^+$电荷量子比特在Si中的可行性，重点是两个磷施主之间的隧道耦合和电子-声子相互作用引起的量子比特退相干方面的单量子比特特性。通过考虑Si导带的多谷结构，我们表明谷间量子干涉对P $_2^+$电荷量子比特的单量子比特操作具有重要影响。特别是，谷干涉导致以零为中心的隧道耦合强度分布。另一方面，我们发现硅的能带结构并不显著影响电子-声子耦合，从而，量子比特相干。我们还比较了Si：P $_2^+$和GaAs双量子点量子计算机结构的电荷量子比特特性。
2004-12-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Near-Surface Electrical Characterisation of Silicon Electronic Devices Using Focused keV Ions
本研究针对硅基量子计算大规模施主阵列的确定性制造需求，利用聚焦离子束系统与低噪声检测电子设备，实现了硅器件近表面电学特性的空间映射及高置信度的确定性离子注入，为无掩模施主阵列原型制备提供了新框架。
2022-05-31 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Energy resonance transfer between quantum defects in metal halide perovskites
量子缺陷对金属卤化物钙钛矿（MHP）中的非辐射复合起着至关重要的作用。尽管如此，由缺陷辅助的电荷转移过程仍然是模糊的。本文采用Markvart模型分别研究了MHP中不同类型的量子缺陷之间的非辐射多声子过程.发现载流子可以通过多声子过程在同类型浅缺陷的相邻能级间进行迁移，但随着缺陷深度的增加，载流子迁移受到明显抑制。对于施主类缺陷和受主类缺陷之间的非辐射多声子跃迁，其过程非常快且与缺陷深度无关，这为最近实验中的光致发光光谱闪烁现象提供了一种可能的解释。我们还讨论了这些多声子过程的温度依赖性，发现它们的变化趋势取决于黄-里斯因子与发射声子数的比较。这些理论结果填补了钙钛矿材料中缺陷辅助非辐射过程的一些空白。
2021-07-25 cond-mat.mes-hall
