Coulomb blockade in a nanoscale phosphorus-in-silicon island
本文研究了硅单电子晶体管的低温电输运特性。岛和引线由通过聚合物抗蚀剂掩模的离子注入实现的图案化的磷掺杂区域限定。在该器件中，一个50 nm直径的岛，含有约600个施主，并具有金属态密度，通过未掺杂的硅隧道势垒与源极和漏极引线分离。中心岛和隧道势垒由场效应晶体管几何形状中的表面栅极覆盖，从而允许控制引线和岛之间的耦合。测量了掺杂岛充电引起的库仑阻塞，观察到振荡周期是恒定的，而充电能量依赖于表面栅电压。我们讨论了在这些结构中接近少数电子制度的可能性，目的是观察和操纵离散的量子力学状态。
2006-02-21 cond-mat.mes-hall
Radio frequency readout of electrically detected magnetic resonance in phosphorus-doped silicon MOSFETs
我们演示了射频（RF）读出的电检测的磁共振在磷掺杂的硅金属氧化物场效应晶体管（MOSFET），在液氦温度下工作。利用射频反射计首次观测到了Si：P超精细谱线，这对于高带宽操作和基于施主的半导体器件中自旋共振的时间分辨检测是有希望的。在这里，我们提出了微波（MW）功率和MOSFET偏置条件对EDMR信号的影响。
2011-05-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Broadband electrically detected magnetic resonance of phosphorus donors in a silicon field-effect transistor
我们报告电检测到的硅场效应晶体管中的磷施主的磁共振。片上传输线用于产生允许宽带操作的振荡磁场。在毫开尔文温度下，使用磁场和微波频率调制获得了高达40 GHz的连续波谱。光谱揭示了Si：P的超精细分裂电子自旋共振特性和显示二维电子气中自旋-自旋散射指纹的中心特征。
2008-05-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
STM study of single phosphorus incorporation into silicon by heating PBr3 on Si(100)
Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院普罗霍洛夫普通物理研究所）；HSE University（高等经济大学）
研究通过STM结合DFT，揭示了PBr3在Si(100)表面解离后，磷原子加热时与硅原子交换形成络合物的单原子掺杂机制，为精确单原子掺杂提供了原子级基础。
2026-07-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Large-scale atomistic density functional theory calculations of phosphorus-doped silicon quantum bits
我们提出了密度泛函理论计算磷掺杂剂在体硅和几个属性有关的使用自旋量子比特的量子计算。而不是一个混合的赝势或海特勒-伦敦的方法，我们已经使用了明确的治疗的磷供体和检查详细的电子结构的系统作为各向同性掺杂分数的函数，包括晶格弛豫由于杂质的存在。掺杂电子密度和自旋密度进行检查，以研究作为各向同性掺杂分数的函数的掺杂剂电子的属性。掺杂电位也计算用于计算的散射截面的磷掺杂剂，这是重要的电检测的磁共振实验的理解。我们发现，掺杂剂周围的电子密度导致掺杂电位的非球形特征，例如在（001）平面中的三角叶，其能量标度为+12 eV靠近核和-700 meV延伸远离掺杂剂。这些特征在有效质量理论中通常被忽略，并且会影响施主电子与磷核之间的耦合。我们的密度泛函计算揭示了掺杂剂的密度和电势的细节，这些掺杂剂在不包括明确处理磷供体原子和晶格弛豫的计算中并不明显。这些细节也可以用于参数化的紧束缚模型的模拟大规模的设备。
2013-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Flopping-mode electric dipole spin resonance in phosphorus donor qubits in silicon
基于硅中磷施主的单自旋量子比特是大规模量子计算机的一个有希望的候选者。尽管相干时间长，但由于纳米级高频磁场控制的挑战，实现均匀的磁控制仍然是放大的障碍。在这里，我们提出了一个基于双磷给体量子点的电子和核自旋态组合的翻转模式电偶极自旋共振量子比特的建议。利用基于供体的系统的关键优势在于，我们可以设计每个量子点中供体原子核的数量。通过创建具有反平行核自旋状态和多电子占据的多施主点，我们可以最小化纵向磁场梯度，已知该梯度将电荷噪声耦合到设备中并使量子位退相。我们描述了量子比特的操作，并表明，通过最小化核自旋的超精细相互作用，我们可以实现$π/2-X$门错误率$\sim 10^{-4}$使用现实的噪声模型。我们强调，在这些全外延磷掺杂硅量子比特的低电荷噪声环境将有利于实现强耦合的量子比特超导微波腔允许长距离双量子比特操作。
2021-05-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hyperfine-assisted decoherence of a phosphorus nuclear-spin qubit in silicon
硅中磷原子的核自旋已被用作各种量子信息实验中的量子比特。有人提出，这种核自旋量子比特可以有效地控制由一个交流电场，当嵌入在一个两个电子点施主设置受到本征或人工自旋轨道相互作用。将量子位暴露于该设置中的控制电场也将其暴露于电噪声。在这项工作中，我们描述了电噪声机制（例如声子和$1/f$电荷噪声）的影响，并估计了核自旋量子比特相应的退相干时间尺度。我们确定了一个有前途的参数范围内的电单量子比特操作至少快一个数量级，然后退相干。在这种情况下，由于$1/f$电荷噪声，退相干由退相主导。我们的研究结果有利于纳米结构的优化设计，以证明电驱动的核自旋共振。
2019-03-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
First principles band structure of interacting phosphorus and boron/aluminum $δ$-doped layers in silicon
Center for Computing Research, Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室计算研究中心）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）
本研究通过密度泛函理论计算了磷和硼/铝δ层在硅中的相互作用能带结构，发现近距时掺杂势抵消，远距时类似p-n二极管，且δ层相互作用可能增强隧道效应。
2026-02-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spectral diffusion of phosphorus donors in silicon at high magnetic field
Dartmouth College（达特茅斯学院）；National High Magnetic Field Laboratory, Florida State University（佛罗里达州立大学国家高磁场实验室）
研究高磁场下硅中磷施主电子与硅-29浴的谱扩散，发现其时间更短且各向异性增大，归因于超精细作用改变及波函数磁扰动，光激发可恢复低场时间。
2026-09-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
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
Superexchange coupling of donor qubits in silicon
本研究提出在硅中线性排列四个磷供体，利用超交换实现相距30-45纳米的端部量子比特自旋耦合，并通过全组态相互作用计算验证其电学可调性，降低噪声与栅极密度。
2023-09-01 cond-mat.mes-hall
Single-electron states of phosphorus-atom arrays in silicon
本文利用原子级紧束缚与波函数重叠分析研究硅中2至4个磷原子阵列的单电子态，并将能量映射为Fermi-Hubbard哈密顿量以支持模拟量子模拟。
2024-02-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent electronic Raman excitation of valley-orbit split states of phosphorus dopants in silicon
Charles University（查理大学）；Czech Academy of Sciences（捷克科学院）；Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学）
本研究通过相干光学激发实现了硅中磷受体谷-轨道分裂态的电子拉曼跃迁，并揭示了载流子密度对波包特性的影响及非共振激发条件下的跃迁机制。
2026-02-04 cond-mat.mes-hall physics.optics
Anisotropic Stark Effect and Electric-Field Noise Suppression for Phosphorus Donor Qubits in Silicon
我们报道了使用新型的电容终止共面波导（CPW）谐振器来测量硅中磷施主量子比特的二次斯塔克位移。我们确认，谷重新布居导致各向异性自旋轨道斯塔克位移取决于相对于Si晶体的电场和磁场取向。通过测量线性斯塔克效应，我们估计了有效的电场由于应变在我们的样品。我们表明，在这种应变的存在下，电场源的退相干可以是不可忽略的。使用我们的斯塔克位移的测量值，我们预测磁场的自旋轨道斯塔克效应取消超精细斯塔克效应，抑制退相干电场噪声。我们讨论了这些噪声抑制点的限制，由于随机分布的应变，并提出了一种方法来克服它们。
2015-03-08 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
ESR measurements of phosphorus dimers in isotopically enriched 28Si silicon
硅中的掺杂剂已经使用光学和电子自旋共振（ESR）光谱学研究了几十年。最近，在同位素富集的28 Si中的掺杂剂的光谱中已经观察到新的特征，因为在这种材料中减少的不均匀线宽提高了光谱分辨率。考虑到这一点，我们测量ESR交换耦合磷二聚体在28 Si和报告两个结果。首先，一个新的精细结构中观察到的ESR谱所产生的状态混合的超精细耦合到31 P核，这是增强时的交换能量是可比的塞曼能量。这种精细结构使我们能够在光谱上解决两个单独的二聚体子系综，第一个与交换（J）耦合范围从2到7 GHz，第二个与J范围从6到60 GHz。接下来，使用0.35T下的脉冲ESR测量两种二聚体子系综的平均自旋弛豫时间T1和T2。T1和T2的二聚体的三重态之间的过渡被发现是相同的孤立的磷施主在28 Si的弛豫时间，与T2 = 4 ms在1.7 K的光谱扩散限制由于偶极相互作用与相邻的施主电子自旋。这一结果与理论预测一致，表明2 - 60 GHz的交换耦合在10 ms的时间尺度下不会限制体硅中的二聚体T1和T2。
2015-06-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Effect of pulse error accumulation on dynamical decoupling of the electron spins of phosphorus donors in silicon
动力学退耦（DD）是保持固态自旋系统量子相干性的有效工具。然而，实际脉冲的不完美性会破坏长DD序列的性能。利用硅中磷施主的电子自旋作为测试系统，研究了DD中不同脉冲误差的积累和补偿。本文研究了基于自旋绕两个垂直轴旋转的周期DD序列（PDD）及其级联和对称化形式。我们发现，脉冲误差可能会迅速破坏一些自旋状态，但保持其他国家的高保真度在很长一段时间。由于脉冲误差的累积，基于围绕$x$和$y$轴的自旋旋转的脉冲序列优于基于$x$和$z$轴的脉冲序列。级联提供了一种有效的方式来抑制脉冲误差的影响，并且可以保持所有自旋分量的高保真度：尽管脉冲数量呈指数级增加，但脉冲误差不会随着级联水平的增加而累积（到一阶）。我们的理论模型给出了一个清晰的定性图片的误差积累，并产生与实验定量一致的结果。
2012-01-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
NMR study of optically hyperpolarized phosphorus donor nuclei in silicon
我们使用上述带隙的光激发，通过1047 nm的激光，hyperembranch的$^{31}$ P自旋在低掺杂（N $_D =6\times10^{15}$ cm $^{-3}$）天然丰度硅在4.2 K和6.7 T，并感应检测所得的NMR信号。观察到的$30$ kHz光谱线宽显著大于从$^{28}$ Si富集硅晶体观察到的600 Hz线宽。我们发现，所观察到的增宽是一致的与以前的ENDOR结果显示离散的同位素质量效应贡献的捐助者超精细耦合。加宽的第二个来源可能是由于天然硅中不同同位素的随机分布引起的局部应变的变化。在天然丰度硅样品中观察到核自旋T $_1$和光诱导$^{31}$ P超极化的建立时间分别为$178\pm47$ s和$69\pm6$ s，显著短于先前在相同条件下在$^{28}$ Si富集样品中测量的值。我们还测量了9.4 T下天然丰度硅中$^{31}$ P信号的T $_1$和超极化建立时间，分别为$54\pm31$ s和$13\pm2$ s。在高场下较短的建立和核自旋T $_1$时间可能是由于较短的电子自旋T $_1$，其通过非长期超精细相互作用驱动核自旋弛豫。在6.7 T下，磷核自旋T $_{2}$在4.2 K下测量为$16.7\pm1.6$ ms，比$^{28}$ Si富集晶体短4倍。在红外激光存在下，观察到这进一步缩短至$1.9\pm0.4$ ms。
2018-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Measurements and atomistic theory of electron $g$ factor anisotropy for phosphorus donors in strained silicon
本文报道了应变硅（sSi = Si/Si $_{1-x}$ Ge $_x$）环境中磷施主量子位的电子$g$因子各向异性（$| Δg |$ = $| g_{001} - g_{1 \bar 1 0} |$）的测量。进行了数百万原子紧束缚模拟，以了解作为$x$的函数的$| Δg |$的测量减少，这是由于界面相关的各向异性的减少。对于$x <$ 7\%，$| Δg |$的变化呈线性，可用$η_x x$描述，其中$η_x \approx$ 1.62 $\times$ 10 $^{-3}$。在$x$ = 20%时，测得的$| Δg |$为1.2 $\pm$ 0.04 $\times$ 10 $^{-3}$，与计算值1 $\times 10^{-3}$吻合较好。当应变和电场同时施加时，应变效应被预测对$| Δg |$起主导作用。我们的研究结果提供了有用的见解sSi：P自旋量子比特的自旋特性，更一般的自旋电子学和谷电子学研究领域的设备。
2018-07-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
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
Gate-controlled charge transfer in Si:P double quantum dots
我们提出了低温电荷传感测量纳米级磷注入硅双点。注入的磷形成两个50 nm直径的岛，具有源极和漏极引线，它们通过未掺杂的硅隧道势垒彼此分离。的点的占用控制的表面栅极和监测使用铝单电子晶体管，这是电容耦合到点。我们观察到一个电荷稳定性图符合设计的多电子双点系统，这与电容建模的结构。我们讨论了这些结果的意义，以实现更小的设备，可用作电荷或自旋量子位。
2008-03-25 cond-mat.mes-hall
Atomistic tight-binding Hartree-Fock calculations of multielectron configurations in P-doped silicon devices: wavefunction reshaping
本文提出一种自洽的原子级紧束缚 Hartree-Fock 方法，计算并分析了硅中磷原子及二聚体的多电子态，发现该方法能准确估算电子排斥能且计算成本更低，并预测了双电子系统的反铁磁基态与三电子弱束缚态。
2025-03-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Observation of Poiseuille Flow of Phonons in Black Phosphorus
热在绝缘体中的传播通常被描绘成沿着它们各自的轨迹散射的声子流。在极少数情况下，动量守恒碰撞事件占主导地位，热输运变成流体动力学。其中一种情况被称为声子的Poiffille流，可以发生在刚好低于热导率峰值温度的温度窗口中。本文报道了在0.1 ~ 80 K温度范围内，黑磷块体中热流的研究.我们发现在5 ~ 12 K之间的热导率表现出比立方温度更快的温度依赖性。因此，有效的声子平均自由程表现出非单调的温度依赖性在弹道制度的发病，与尺寸相关的努森最小值。这些是以前在少数固体中观察到的Poiffille流的标志。比较了黑磷和硅中的声子色散，我们发现黑磷中正常散射事件的相空间要大得多。我们的研究结果表明，Poiffille流出现的最重要的条件是声学声子分支之间的动量交换的便利性。接近结构转变可能有利于清洁系统中出现这种行为，即使它们的纯度不超过硅。
2018-07-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Electron nuclear double resonance with donor-bound excitons in silicon
我们目前俄歇电子检测磁共振（AEDMR）实验磷捐助者在硅中，其中选择性的光学产生的捐助者结合激子用于电子自旋态的电检测。由于同位素纯化的$^{28}$ Si中电子自旋的长退相时间，弱微波场是足够的，这允许在商业ESR谐振器中实现宽带AEDMR。实施俄歇电子探测ENDOR，我们进一步证明了光学辅助控制的条件下，超精细分裂的核自旋的光谱中没有解决。与以前的研究相比，这大大放宽了对样品和实验装置的要求，例如在菌株，同位素纯度和温度方面。我们展示了具有天然同位素组成的硅中磷供体的AEDMR，并讨论了在该系统中进行ENDOR测量的可行性。
2016-11-29 cond-mat.mes-hall physics.ins-det
Micromagnet engineering for enhanced addressability of donor-cluster arrays in silicon
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；International Quantum Academy（国际量子科学院）；Shenzhen Branch, Hefei National Laboratory（合肥国家实验室深圳分部）；Ministry of Education Institute of Microscale Optoelectronics Shenzhen University（深圳大学微纳光电子教育部重点实验室）
本文提出一种集成STM定义磷施主团簇阵列与片上微磁体的可扩展硅量子处理器架构，通过磁场梯度增强可寻址性，支持120多个量子比特并实现频率复用，为原子量子比特硅量子计算奠定基础。
2026-10-06 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
Nitrogen in Silicon for Room Temperature Single Electron Tunneling Devices
单电子晶体管（SET）是一种先进的量子器件开发工具。这种装置在室温下工作对于实际应用是必不可少的。基于掺杂剂的单电子器件在低温下得到了很好的研究，尽管少数器件被开发用于具有某些限制的高温操作。在这里，我们提出并从理论上证明了硅中的氮（N）施主是有效设计此类器件的重要候选者。用半经验密度泛函理论计算态密度表明，硅中的N施主比磷施主具有更深的基态。在纳米硅中探索N-施主光谱以及P-施主。本文还报道了N施主和P施主的玻尔半径的比较数据。模拟的电流-电压特性证实了N掺杂的器件更适合于室温下的SET操作。
2023-01-27 cond-mat.mes-hall
Two-Electron Spin Correlations in Precision Placed Donors in Silicon
硅中的替代施主原子具有极长的弛豫和退相时间，是量子计算中很有前途的量子比特。缩放这些系统的关键挑战之一是确定施主间距离以实现可控的波函数重叠，同时在每个量子位上执行高保真度自旋读出。在这里，我们实现了这样的设备通过扫描隧道显微镜光刻。我们测量了硅中两个相距16 ${\pm}1$ nm的施主自旋量子位之间的反相关自旋态。通过利用一个非对称系统与两个磷施主在一个量子位的网站和一个在其他（2 P-1 P），我们证明了交换相互作用可以打开和关闭通过电控制的两个平面内的磷掺杂失谐门。我们确定的2 P-1 P系统之间的隧道耦合为200 MHz，并提供了一个路线图的观察两个电子的相干交换振荡。
2018-07-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Multilayer black phosphorus as a versatile mid-infrared electro-optic material
研究了用于中红外波段光调制的黑磷（BP）薄膜的电光特性。我们的计算表明，一个应用的面外电场可能会导致红色，蓝色，或双向移动BP的吸收边。这是由于场诱导的量子限制的Franz-Keldysh效应和Pauli阻塞的Burstein-Moss位移之间的相互作用。两种电吸收机制的相对贡献取决于掺杂范围、工作波长和BP膜厚度。为了验证概念，研究了在硅纳米线上覆盖BP的简单调制器配置。模拟结果表明，在量子限制的Franz-Keldysh制度下操作BP可以实现与石墨烯对应物相比改进的最大可达吸收以及功率效率。
2015-11-11 cond-mat.mes-hall physics.optics
Carrier Dynamics and Transient Photobleaching in Thin Layers of Black Phosphorus
我们提出了偏振分辨瞬态透射测量多层黑磷。无背景双色泵浦-探测光谱测量进行机械剥离的黑磷薄片，已转移到一个大的带隙，碳化硅衬底。蓝移的泵浦脉冲（780 nm）在与测量分辨率（数百fs）相称的时间尺度上引起探测脉冲（1560 nm）的增加的透射。在初始泵浦诱导透明之后，观察到瞬态翻转和较慢增强吸收的迹象。这种扩展吸收的特征在于两个弛豫时间尺度为180 ps和1.3 ns。饱和峰归因于泡利阻塞，而扩展吸收归因于泵浦诱导载流子的Drude响应。黑磷中的各向异性载流子迁移率导致Drude吸收的不同权重，这取决于探测偏振，这在泵浦-探测信号的振幅中很容易观察到。
2015-05-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Quantum Coulomb Blockade in Orbital Resolved Phosphorus Triple-Donor Molecule
该研究通过实验和理论结合，展示了磷三供体分子中量子电荷阻塞对电子填充和轨道配置的影响，为可扩展的量子技术提供了新的见解。
2025-12-16 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Waveguide-integrated black phosphorus photodetector with high responsivity and low dark current
层状二维材料具有新颖的光电特性，非常适合于集成在平面光子电路中。例如，石墨烯已被用于宽带光电探测。然而，由于石墨烯缺乏带隙，石墨烯光电探测器遭受非常高的暗电流。相比之下，层状黑磷是2D材料家族的最新成员，由于其狭窄但有限的带隙，非常适合光电探测器应用。在这里，我们展示了一个门控多层黑磷光电探测器集成在硅光子波导工作在近红外电信波段。与石墨烯器件相比，黑磷光电探测器具有显著的优势，可以在偏压下以非常低的暗电流工作，并在室温下在11.5nm和100 nm厚的器件中分别获得高达135 mA/W和657 mA/W的固有响应度。光电流主要由光伏效应控制，具有超过3 GHz的高响应带宽。
2014-12-11 cond-mat.mes-hall physics.optics
Quantum Hall Charge Sensor for Single-Donor Nuclear Spin Detection in Silicon
我们提出了一种新的光电混合方案来测量硅中的核自旋量子比特。通过将整数量子霍尔效应的环境不敏感性与硅中磷杂质的光学可区分的超精细态相结合，我们的系统可以同时提供核自旋测量和对环境缺陷的鲁棒性。同位素纯化的28Si中的31P施主自旋由于其极长的退相干时间而经常被讨论为非常有前途的量子存储量子比特，并且我们提出的器件为这样的量子存储系统提供了有效的实现。
2010-05-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Room temperature donor incorporation for quantum devices: arsine on germanium
锗已成为自旋电子学和量子信息应用中非常有前途的材料，与硅相比具有显著的基本优势。然而，使用施主原子作为量子比特来创建原子级器件的努力主要集中在硅中的磷上。以原子级精度在硅中定位磷需要热结合退火，但该步骤的低成功率已被证明是阻止按比例放大到大规模器件的基本限制。在这里，我们提出了一个全面的研究砷（AsH $_3$）的锗（001）表面。我们表明，与任何以前研究的硅或锗掺杂剂前体，砷原子完全纳入替代表面晶格在室温下的网站。我们的研究结果为下一代原子级施主器件铺平了道路，该器件将锗的优越电子特性与砷化氢/锗化学的增强特性相结合，有望扩大到大量确定性放置的量子位。
2022-03-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nuclear spin decoherence of neutral $^{31}$P donors in silicon: Effect of environmental $^{29}$Si nuclei
由$^{29}$ Si核自旋触发器引起的光谱扩散已知是硅中电子自旋退相干的主要来源，预计也会限制硅中中性施体核自旋的相干时间。在这里，测量作为$^{29}$ Si浓度的函数，使用X波段脉冲电子核双共振（ENDOR），这种机制对$^{31}$ P核自旋相干性的影响。$^{31}$ P核自旋回波衰变表明，退相干受$^{29}$ Si触发器控制，导致快速（指数）和慢速（非指数）谱扩散过程。衰减时间的范围从含有50% $^{29}$ Si的晶体中的100 ms到含有1% $^{29}$ Si的晶体中的3 s。中性供体的这些核自旋回波衰减时间比天然硅中电离供体的报道长几个数量级。中性施主的电子自旋通过抑制“冻结核”内的$^{29}$ Si触发器来“保护”施主核自旋，这是由于$^{29}$ Si自旋与电子自旋的超精细耦合引起的失谐。
2015-08-21 cond-mat.mes-hall
Two-spin relaxation of P-dimers in Silicon
我们研究了硅中施主束缚电子的双电子单重态-三重态弛豫。电子与磷（P）核的超精细相互作用，结合电子-声子相互作用，导致三重态的弛豫。在Heitler-London和有效质量近似下，我们计算了外加磁场存在下的三重态弛豫率。这种弛豫机制影响当前P-二聚体的电子自旋共振（ESR）实验中的共振峰。此外，自旋衰变的估计时间尺度为在基于供体自旋的量子计算机（QC）中执行容错双量子比特操作所需的门脉冲设定了上限。
2010-10-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fast noise-resistant control of donor nuclear spin qubits in silicon
高度的可控性和长的相干时间使得同位素纯化硅中的磷施主的核自旋成为量子比特的有希望的候选者。然而，长距离的双量子位耦合和快速，鲁棒的门仍然是这些系统的突出挑战。在这里，根据最近提出的通过偶极-偶极相互作用进行长距离耦合的建议，我们提出了一种简单的方法，在没有电荷噪声的情况下实现快速，高保真的任意单量子位和双量子位门。此外，我们还提供了一种方法，使单量子位门对中等水平的电荷噪声具有鲁棒性，并且完全在$10^{-3}$的误差范围内。
2020-05-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electron spin decoherence in isotope-enriched silicon
硅在基于自旋的量子计算中很有前途，因为核自旋是磁噪声的来源，可以通过同位素富集来消除。在同位素富集的硅中已经测量到长自旋退相干时间$T_2$，但远低于$T_2 = 2 T_1$极限。核自旋对$T_2$的影响已得到充分证实。然而，来自硅中一直存在的残余磷杂质的背景电子自旋的影响也可以产生显著的退相干。我们研究自旋退相干衰减作为施主浓度，$^{29}$ Si浓度，和温度的函数，使用专门适用于稀疏偶极耦合电子自旋浴的问题的集群扩展技术。我们的研究结果与现有的实验自旋回波数据在Si：P和建立的重要性，背景掺杂剂作为最终的退相干机制同位素富集硅。
2010-10-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
A spin quantum bit architecture with coupled donors and quantum dots in silicon
硅中施主电子和原子核的自旋是很有前途的量子比特（qubit）候选者，它将长相干时间与硅纳米技术工业的制造工艺相结合。我们概述了一个潜在的可扩展的自旋量子位架构，其中供体核和电子自旋耦合到量子点中的电子自旋，并讨论了通过单离子注入对准量子点的供体位置的要求。
2011-10-10 cond-mat.mes-hall
An 11-qubit atom processor in silicon
本文展示了一个由两个多核自旋寄存器通过电子交换耦合的11量子比特硅基原子处理器，实现了99.5%至99.99%的门保真度和超99%的贝尔态保真度，为容错量子计算奠定基础。
2025-06-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electron spin relaxation of single phosphorus donors in metal-oxide-semiconductor nanoscale devices
我们分析了电子自旋弛豫速率$1/T_1$的个人离子注入$^{31}$ P捐助者，在一个大的金属氧化物半导体（MOS）硅纳米级器件，识别自旋弛豫机制特有的环境的自旋的目的。测量在低温（$T\approx 100$ ~mK）下进行，作为外部磁场$B_0$和供体电化学电势$μ_{\rm D}$的函数。我们观察到磁场依赖性的形式$1/T_1\propto B_0^5$的$B_0\gtrsim 3\,$ T，对应于声子诱导弛豫典型的施主在散装。然而，弛豫速率在不同器件之间变化多达两个数量级。我们将这些差异归因于在施主位置处的晶格应变的变化。对于$B_0\lesssim 3\,$ T，两个器械的弛豫速率变为$1/T_1\propto B_0$。这与由在施主上方制造的金属结构产生的倏逝波约翰逊噪声引起的弛豫是一致的。在这样的低场，其中$T_1>1\,$ s，我们还观察和量化的虚假增加$1/T_1$时，自旋激发态$|\uparrow\rangle$的电化学电位接近空状态的电荷库，导致自旋相关的隧道重置自旋$|\downarrow\rangle$。这些结果提供了宝贵的见解的微观现象，影响自旋弛豫的MOS纳米器件，并提供了工程自旋量子比特与改善自旋寿命的策略。
2019-03-26 cond-mat.mes-hall
Dynamic Nuclear Polarization in Silicon Microparticles
我们报告记录高Si-29自旋极化获得动态核极化微晶硅粉末。这种硅粉末中的未成对电子是由于这种本质上异质的样品的非晶区域中的悬挂键。非晶区中的Si-29核通过由非共振微波辐射驱动的强制电子-核自旋翻转而极化，而结晶区中的核通过跨越结晶边界的自旋扩散而极化。超极化硅微粒具有较长的T1弛豫时间，可用作磁共振成像的示踪剂。
2008-03-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electric-dipole-induced nuclear electric resonance in silicon
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；International Quantum Academy（国际量子科学院）
本研究理论提出借助超精细相互作用与磁场梯度，在硅中实现电偶极诱导核电共振（EDNER），其强度优于核磁共振，可降低核自旋对电噪声的敏感性，为硅基量子计算提供全电学可寻址控制方案。
2026-10-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Disorder-resilient transport through dopant arrays in silicon
该研究结合扩展Hubbard模型精确对角化与非平衡Green函数方法，证明硅中无序3×3磷施主阵列的电流和稳定性图特征对无序具有高度韧性。
2024-05-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
High-fidelity readout and control of a nuclear spin qubit in silicon
单个核自旋有望成为长寿的量子比特或量子存储器，具有容错量子计算所需的高性能。我们在这里表明，这样的承诺可以通过硅纳米结构中的单个磷（31 P）核自旋来实现。通过将电子自旋的单次读出与片上电子自旋共振相结合，我们证明了核自旋的量子非破坏性电单次读出，读出保真度优于99.8% -这是任何固态量子位的最高值。然后通过施加相干射频（RF）脉冲将单个核自旋作为量子比特操作。对于电离的31 P施主，我们发现核自旋相干时间为60 ms，1-量子位门控保真度超过98%。这些结果表明，现代电子学的主导技术可以适用于托管基于核自旋的量子信息处理的完整电测量和控制平台。
2013-02-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Grover's algorithm in a four-qubit silicon processor above the fault-tolerant threshold
研究使用四比特硅处理器实现所有操作均超容错阈值，通过演示找到标记状态概率约95%的 Grover 算法，并实现96.2%保真度的三比特GHZ态，为大规模容错量子处理器奠定基础。
2025-03-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
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
Robust electric dipole transition at microwave frequencies for nuclear spin qubits in silicon
在同位素富集的硅-28中，磷施主（$^{31}$ P）的核自旋态是固态存储量子信息的优良宿主。自旋对电场的不敏感性产生了具有记录相干时间的固态量子比特，但也使得与其他量子系统的耦合非常具有挑战性。在这里，我们描述了如何产生一个强的电偶极子（$>100$德拜）在微波频率的核自旋。这是通过对施主束缚电子的自旋施加磁驱动，同时用电场控制其电荷状态来实现的。在某些条件下，微波磁驱动还使得核自旋共振频率和电偶极子对电噪声强烈不敏感，产生长（$>1$ ms）的退相时间和稳健的门操作。然后，核自旋可以与微波谐振器强耦合，真空拉比分裂为1 MHz，或者通过强电偶极-偶极相互作用与其他核自旋耦合，几乎相隔半微米。这项工作将$^{31}$ P核量子位带入混合量子系统的领域，并为量子信息处理开辟了新的途径。
2018-08-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
