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
Silicon Quantum Dots with Counted Antimony Donor Implants
在基于半导体的量子计算中，对施主的位置和数量的确定性控制对于施主自旋量子比特（qubit）是至关重要的。在这项工作中，使用聚焦离子束在量子点附近注入锑施主。离子探测器集成在量子点旁边，以检测注入物。注入的施主的数量可以计数到单个离子的精度。在低温输运测量中，从量子点观察到规则的库仑阻塞。指示施主电离的电荷偏移也在具有计数施主注入的器件中观察到。
2015-12-14 cond-mat.mes-hall
Spin-orbit coupling induced two-electron relaxation in silicon donor pairs
我们从理论上揭示了硅中低位单重态和三重态施主对态之间的一种关键的本征弛豫机制，硅是快速发展的自旋电子学和量子计算领域的重要元素。尽管在Si中感知到弱的自旋轨道耦合（SOC），我们发现，我们发现的弛豫机制，结合电子-声子和施主间的相互作用，占主导地位的驱动器在大范围的施主耦合制度的双电子态的转变。弛豫速率与供体间交换相互作用$J$的比例在低温到高温极限下从$J^5$到$J^4$。我们的分析研究借鉴了对称性分析的组合带，施主包络和谷配置。它自然地揭示了施主取向方向和三重态自旋取向的依赖性，特别是对施主杂质的占主导地位的SOC源。虽然一个磁场是不必要的，这种松弛，不像在单施主自旋松弛，我们讨论的交叉行为与塞曼能量增加，以便于与实验比较。
2017-09-25 cond-mat.mes-hall
Electric field induced charge noise in doped silicon: ionization of phosphorus donors
本文报道了在不同磷掺杂浓度的硅衬底上进行的低频电荷噪声测量。测量进行与铝单电子晶体管（SET）在毫开尔文温度下，其中基板是在绝缘制度。通过测量SET库仑振荡，我们发现在更重掺杂的衬底上存在依赖于栅极电压的电荷噪声。该电荷噪声，其被认为具有1/f光谱，归因于电场诱导的电子从其磷施主电势的隧穿。
2005-11-10 cond-mat.mes-hall
Surface code architecture for donors and dots in silicon with imprecise and nonuniform qubit couplings
在硅中具有施主自旋的缩放量子计算机将受益于可行的半导体框架和量子位与噪声环境的强固有解耦。根据当前设计，通过自然交换相互作用耦合相邻自旋需要具有极小长度尺度的栅极控制结构。我们提出了一种硅结构，其中具有长相干时间的铋供体耦合到可以在相邻量子点之间穿梭的电子，从而放松了间距要求，并允许经典控制设备的供体之间的空间。每个供体/点对内的绝热SWAP操作解决了基于交换的双量子位门固有的可扩展性问题，因为它不依赖于供体放置的亚纳米精度，并且对控制场中的噪声具有鲁棒性。我们使用这种SWAP与完善的全球微波拉比脉冲和并行电子穿梭，以构建一个表面码，需要最小的，可行的本地控制。
2016-02-22 cond-mat.mes-hall
Statistical exchange-coupling errors and the practicality of scalable silicon donor qubits
最近的实验工作已经引起了相当大的兴趣，在硅中的施主为基础的本地化电子自旋作为可行的量子比特的可扩展的硅量子计算机。随着同位素纯化的$^{28}$ Si的使用和单施主电子中极长自旋相干时间的实现，最近的实验重点是双耦合施主，最终目标是按比例放大的量子线路。出于这种发展，我们模拟的统计分布的交换耦合$J$之间的一对现实的捐助者的位置straggles捐助者，并量化的错误相对于预期的$J$值。随着$J$值在一个广泛的范围内的施主对分离（$5<|\mathbf{R}|<60$ nm），我们系统地制定了各种情况下，为目标施主分离$\mathbf{R}_0$沿[001]，[110]和[111]硅晶体方向，与$|\mathbf{R}_0|=10, 20$或30 nm和标准偏差$σ_R=1, 2, 5$或10 nm。我们广泛的理论结果表明，即使只有一个供体对，任何可扩展的Si供体为基础的量子计算机的第一步，一个规定的$J$门的巨大挑战。
2017-01-09 cond-mat.mes-hall
Control of the ionization state of 3 single donor atoms in silicon
通过改变短绝缘体上硅三栅场效应晶体管的栅极和衬底电压，我们控制了三个砷施主的电离状态。我们得到了一个很好的定量协议之间的三维静电模拟和实验的控制电压发生电离。它允许我们在强电场中观察到三个双占据态As-，在附近的源-漏电极的存在下。
2014-03-05 cond-mat.mes-hall
Transport Spectroscopy of Single Phosphorus Donors in a Silicon Nanoscale Transistor
我们发展了奈米级的双闸极场效电晶体，以研究单一有意植入的磷供体的电子态与输运性质。这些器件提供了纳米电子学潜在应用所需的关键参数的高水平控制。对于捐助者，我们解决了相应的两个电荷状态依次被自旋向下和自旋向上的电子占据的过渡。充电能量和Lande g因子与门控纳米结构中的供体的预期一致。
2010-02-02 cond-mat.mes-hall
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
Ab initio calculation of energy levels for phosphorus donors in silicon
硅中磷供体的s流形能级是纳米级电子器件设计和建模的重要输入参数。在本文中，我们计算这些能级从第一性原理使用密度泛函理论。施主电子的基态的波函数被发现具有类似于原子s轨道的形式，具有1.8 nm的有效玻尔半径。这个状态的相应的结合能被发现是41 meV，这是在良好的协议与目前接受的值45.59 meV。我们还计算了激发态1s（T）和1s（E）的能量，发现它们分别为32和31 meV。这些结果构成了第一个ab initio确认的s歧管能级的磷施主在硅。
2016-12-02 cond-mat.mes-hall
Two-electron states of a group V donor in silicon from atomistic full configuration interaction
与硅中的施主结合的双电子态对于双量子位门和自旋读出都很重要。我们提出了一个全组态相互作用技术在原子紧束缚的基础上捕捉多电子交换和相关效应，同时考虑到硅的全能带结构和原子尺度的纳米器件的粒度。发现具有$A_1$ -对称性的类$s$激发态强烈影响负施主中心的充电能量.我们将该技术应用于亚表面掺杂剂进行栅极电场，并显示，绑定三重态出现在光谱中作为一个结果，减少充电能量。在各种限制机制中获得的双电子态的交换能可以实现对施主点混合量子比特中的自旋的工程电控制。
2017-03-12 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
Architecture for high-sensitivity single-shot readout and control of the electron spin of individual donors in silicon
我们描述了一种方法来控制和检测在单次拍摄的单个施主在硅中的电子自旋状态，大大提高了灵敏度。硅基单电子晶体管（SET）允许在读出阶段期间施主电子的自旋相关隧穿直接进入SET岛。模拟结果表明，电荷转移信号通常是Δq > 0.2 e -，比SiO2表面上的金属SET可实现的大一个数量级。通过增加一条局域电子自旋共振线进行相干自旋控制，得到了一个完整的基于自旋的量子比特结构。这种架构非常适合于演示和研究施主电子自旋的相干特性，但可以扩展并与经典控制电子学集成。
2009-09-11 cond-mat.mes-hall
Hybrid optical-electrical detection of donor electron spins with bound excitons in silicon
自旋的电检测是理解半导体器件中自旋动力学的重要工具，为从光电子学和自旋电子学到量子信息处理的应用提供了有价值的见解。对于与硅中的浅施主结合的电子自旋，体电检测磁共振依赖于与自旋读出伙伴（诸如顺磁缺陷或传导电子）的耦合，这从根本上限制了自旋相干时间。在这里，我们展示了通过硅器件的运输，使用光学驱动的施主束缚激子跃迁的磷施主电子自旋共振的电检测。我们使用这种方法来测量电子自旋拉比振荡，并通过避免使用辅助自旋读出，我们能够获得长的内在电子自旋相干时间，仅受施主浓度的限制。我们继续实验解决的关键问题，采用这种方案在硅纳米器件的单自旋测量，包括应变，电场，和非共振激发的影响。这为实现与自旋相关隧穿相比具有放松的磁场和温度要求的单自旋读出的通用读出方法奠定了基础。
2014-11-05 cond-mat.mes-hall
Engineering single donor detectors in doped silicon
我们证明了工程的可能性，直接从磷掺杂的量子点的结构，以及复杂的电子动力学在冷却过程中的固有玻璃态行为的使用的单施主晶体管。在低温和磁场中的器件的表征表明，单施主可以在隧道势垒之一附近被静电隔离，具有单或双占据。基于电容的模拟很好地支持了这样的模型。通过观察邻近的电容耦合的半连接双量子点的电荷稳定性图，证明了利用这种孤立施主的D0作为电荷检测器的能力。
2022-09-01 cond-mat.mes-hall
Silicon conduction-band effects on shallow donor wavefunctions and donor-pair exchange: An {\it ab initio} theory
这篇论文已被作者撤回。一个更完整的治疗的能带结构的影响即将到来。
2002-12-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Anderson Localization of Electrons in Silicon Donor Chains
我们建立了一个模型来研究用精密离子注入或STM光刻技术制备的掺杂硅纳米线的局域化特性。实验表明，欧姆定律在某些情况下成立，这显然与一维的安德森局域化理论相悖。我们研究了谷干涉对传统的无序系统电子结构理论的影响。每个孤立的施主轨道是现实的描述多谷有效质量理论（MV-EMT）。我们扩展这个模型来描述链的施主掺杂剂轨道的线性组合。考虑到供体定位的混乱，导致最近的邻居供体网站（供体-供体隧道耦合）之间的跳跃的一个复杂的无序分布-谷干扰的影响。从转移矩阵方法获得磷（P）供体链的定位长度，并进一步与链长进行比较。我们定量地确定的不确定性$δR$在相对于目标的植入位置的影响，也比较我们的结果与那些没有谷干扰。我们系统地分析了有针对性的施主间分离依赖性（$R_0$），并表明，只要定位误差在晶格参数（$δR <0.543$ nm）之下，在安德森局域化的有效开始之前，相当稀释的施主链（$R_0=7.7$ nm）可能长达100 nm。
2016-03-22 cond-mat.mes-hall
Donor-bound-exciton strain microscopy in silicon devices
本文研究了硅器件中施主束缚激子跃迁对应力的响应，通过微加工器件上的局部光电导检测和扫描显微技术实现了从10 μeV到200 μeV的应变峰分裂测量，验证了其用于原位应力传感和小型化检测的可行性。
2024-08-30 cond-mat.mes-hall
Theory of one and two donors in Silicon
我们在这里提供了一个路线图，用于建模硅纳米器件与一个或两个V族施主（D）。我们讨论了含有一个或两个电子的系统，即D^0、D^-、D_2^+和D_2^0心。不同程度的近似的影响进行了讨论。最准确的实例-我们提供定量的结果-是在多路有效质量，包括中央电池校正和配置相互作用帐户的电子-电子的相关性。我们也得到有见地的，但不太准确，分析近似，并讨论其有效性和局限性-特别是，对于一个捐助者对，我们讨论了单轨道LCAO方法，休克尔近似和哈伯德模型。最后，我们讨论了这些结果和最近的几个掺杂剂器件的实验之间的联系。
2014-07-30 cond-mat.mes-hall
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
Electric field reduced charging energies and two-electron bound excited states of single donors in silicon
我们提出了原子模拟的D 0到D-充电能量的门控施主在硅作为一个功能的应用领域和施主深度，并找到良好的协议与实验测量。一个自洽场大规模紧束缚方法被用来计算D-结合能与超过140万个原子的域，考虑到完整的能带结构的主机，应用领域，和接口。施加的场将松散结合的D-电子拉向界面，并将充电能量显著降低到体值以下。这使得能够在这些门控供体中形成束缚激发D-态，与体供体相反。一个详细的定量比较的充电能量与运输光谱测量与多个样品的砷施主在超规模FinFET验证模型的结果，并提供物理见解。我们还报告测量的D-数据显示，第一次的存在下施加的领域绑定D-激发态。
2011-07-13 cond-mat.mes-hall
Bulk and sub-surface donor bound excitons in silicon under electric fields
采用Hartree近似下的大尺度原子轨道紧束缚方法计算了硅中三粒子施主束缚激子（D $^0$ X）的电子结构.计算产生的过渡能量接近实验测量值的1150毫电子伏的散装，并显示如何过渡能量和过渡概率可以改变所施加的领域和接近表面，模仿现实设备的条件。从中性施主态（D $^0$）到D $^0$ X的自旋分辨跃迁能取决于三粒子库仑能、界面和电场诱导的超精细分裂和重空穴-轻空穴分裂。虽然库仑能量由于斯塔克位移而降低，但场对电子和空穴波函数的空间分离也降低了跃迁偶极。体状的D $^0$ X在适度的电场下突然离解，而靠近界面的供体处的D $^0$ X经历逐渐电离过程。我们的计算考虑了硅的全能带结构和施主的全能谱，包括直接在原子轨道基础上的自旋，并自洽地处理三粒子库仑相互作用，为旨在实现寻址施主量子位的混合光电技术的实验提供定量指导。
2015-09-30 cond-mat.mes-hall
Electron tunnel rates in a donor-silicon single electron transistor hybrid
我们研究了一种由$20\pm4$注入$^{31}$ P原子靠近栅诱导硅单电子晶体管（SiSET）的混合结构。在这种配置中，SiSET对附近中心的电荷状态非常敏感，当电荷配置改变时，从关闭状态变为导通状态。我们提出了一种方法来测量施主和SiSET岛之间的快速电子隧道速率，使用脉冲电压方案和低带宽电流检测。实验结果进行了定量讨论，使用速率方程模型，使捕获和排放率的提取。
2009-12-12 cond-mat.mes-hall
An Exchange-Coupled Donor Molecule in Silicon
硅中的施主在概念上被描述为半导体环境中的氢原子类似物，已经成为许多“摩尔效应”提议的关键成分，例如量子信息处理[1-5]和单掺杂电子学[6，7]。该领域已经达到的成熟水平使得能够制造和演示基于单个杂质原子的晶体管[8，9]，从而允许通过电输运测量来检查预测的单施主能谱。概括这个概念，供体对可以表现为氢分子类似物。然而，分子量子力学的解决方案只带我们到目前为止，详细了解这些分子系统的电子结构是一个挑战，要克服。在这里，我们提出了一个结合的实验-理论演示的能谱的强相互作用的施主对在硅纳米晶体管的通道，并显示可测量的两个施主交换耦合的第一个观察。此外，对三种电荷状态的分析表明，相对于单施主光谱的结合能和充电能同时增强。测量的数据准确匹配的有效质量理论，将在Si中的布洛赫态多重性，一个中心单元校正的施主势和2-电子光谱的全组态相互作用处理得到的结果。我们的数据描述了Kane量子处理方案[1]中的基本2量子比特纠缠元素，即交换耦合，在分子杂交的范围内实现。
2013-12-16 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
Radio frequency reflectometry and charge sensing of a precision placed donor in silicon
我们比较了硅中使用射频反射测量与隧道耦合水库和直流电荷感测使用电容耦合单电子晶体管（SET）的确定性的单个P施主上的电荷跃迁。通过测量通过SET的电导，并将其与来自储层的反射RF激发的相移进行比较，我们可以区分SET沟道内的电荷转移和供体与储层之间的隧穿。RF测量允许在每个电荷简并点处观察施主电子跃迁，这与SET电导信号相反，SET电导信号中仅在三相点处观察到电荷跃迁。隧道耦合库具有大的有效杠杆臂（~35%）的优点，允许我们独立地提取中性供体充电能量~62 +/-17 meV。这些结果表明，我们可以取代三个终端晶体管由一个单一的终端色散水库，高带宽可扩展的施主控制和读出的前景。
2015-09-10 cond-mat.mes-hall
Extended Hubbard model for mesoscopic transport in donor arrays in silicon
硅中的掺杂阵列是费米-哈伯德模型量子模拟的一个很有前途的平台。我们发现，最简单的模型，只有现场相互作用是不够的，以描述硅中的磷施主阵列的物理，由于在系统中的强相互作用。我们还研究了低温下的共振隧穿输运，作为探测Hubbard物理特性的一种手段，如Hubbard带和Mott带隙。两种机制的本地化，抑制在阵列中的运输进行了研究：第一个产生的电子-离子的核心吸引力，并在低填充是显着的;第二个是由于在隧道耦合的施主电子的波函数的谷间干扰所造成的急剧振荡。这种无序的隧道耦合导致了一个陡峭的指数衰减的电导与通道长度在一维阵列，但其效果是不太突出的二维的。因此，有可能在两个维度上观察到相对较大阵列中的共振隧穿传输。
2018-01-09 cond-mat.mes-hall
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
Spin relaxation and donor-acceptor recombination of Se$^+$ in 28-silicon
硅中的硒杂质是深双施主，由于其在红外探测中的应用，近年来对其光学和电学性质进行了研究。然而，单离子化硒供体（Se $^{+}$）具有电子自旋，这使其成为硅基自旋量子位的潜在候选者，与更常研究的V族供体相比具有显著的潜在优势。在这里，我们研究的电子自旋弛豫（$T_1$）和相干（$T_2$）时间的硒$^{+}$在同位素纯化的28-硅，并发现它们是两个数量级以上的温度高于$\sim 15$ K浅V族施主。我们进一步研究了硒和硼之间的施主-受主复合动力学，证明了通过中性Se $^0$的光激发来控制施主电荷态是可能的。
2015-05-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
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
Silicon Donor Array as a Disordered One-Dimensional Electron Gas
硅中的施主现在可以以大约一个晶格常数的精度定位，使得在原则上可以形成用于量子计算或量子模拟应用的施主阵列。然而，硅导带的多谷特性与对施主态哈密顿量的中心单元校正相结合，以将施主位置中的原子尺度缺陷转化为强烈无序的施主间杂化。我们提出了一个简单的模型，能够准确地占中央单元校正，并使用它来评估捐助者的位置无序的影响，在巡回和本地化的限制上的捐助者阵列属性。
2021-05-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas quant-ph
Addressable electron spin resonance using donors and donor molecules in silicon
硅中的磷施主杂质由于其异常长的相干时间和高的结晶度而成为固态量子计算的有希望的候选者。然而，具有约15 nm间隔的交换耦合供体量子位的个体可寻址性是具有挑战性的。在这里，我们表明，通过使用原子精度光刻，我们可以将单个P供体放置在相距16（+/-1）nm的2 P分子旁边，并使用它们独特的超精细耦合强度来寻址具有截然不同共振频率的量子位。特别是，单个供体产生两个相隔97（+/-2.5）MHz的超精细峰，而供体分子则表现出相隔262（+/-10）MHz的三个峰。原子紧束缚模拟证实了2 P分子中的大的超精细相互作用强度，其中供体间间隔为~0.7nm，与器件制造期间2 P位点的光刻STM图像一致。我们讨论了在硅中使用施主分子的电子自旋量子位的内置寻址能力的可行性。
2018-07-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
$^{29}$Si nuclear spins as a resource for donor spin qubits in silicon
固态系统中电子自旋附近的核自旋寄存器为解决量子体系结构中可扩展性的挑战提供了强大的资源。我们在这里调查的$^{29}$硅核自旋周围的施主原子在硅的属性，并考虑使用这样的自旋，结合施主核自旋，作为量子寄存器耦合到施主电子自旋。我们发现附近的$^{29}$硅核自旋的相干性有效地保护了施主电子自旋的存在，导致相干时间在第二个时间尺度-超过两个数量级大于体硅的相干时间。我们从理论上研究了使用这样的寄存器进行量子纠错，包括保护核自旋免受施主电离/中和的方法，这对于辅助量子比特的重新初始化是必要的。这为使用硅中的施主进行多轮量子纠错提供了途径。
2015-05-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent transport through a double donor system in silicon
量子相干性对于基于施主的量子计算的适用性至关重要。在这封信中，我们描述了在纳米MOSFET中的两个施主引起的导电路径的干扰，导致Fano共振的观察。这证明了两个供体之间的电子的相干交换。此外，两个传导路径之间的相位差可以通过磁场来调节，完全类似于Aharonov-Bohm效应。
2009-12-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
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
Donor spins in silicon for quantum technologies
掺杂原子在半导体技术中无处不在，提供了支持现代数字信息时代的定制电子特性。利用这些原子尺度物体的量子性质代表了一场令人兴奋的新技术革命。在这篇文章中，我们描述了在硅中使用离子注入施主自旋量子技术。我们回顾了如何在硅中制造和操作单原子自旋量子比特，获得一些最相干的固态量子比特，并讨论了扩大这些量子比特以构建大型量子处理器的途径。具有大核自旋的较重的V族供体显示电四极耦合，使得能够实现核电共振、量子混沌和应变传感。施主系综可以耦合到微波腔，以开发混合量子图灵机。单施主的计数、确定性注入，结合精确放置的新方法，将允许将单个施主自旋与行业标准的硅制造工艺相结合，使注入施主成为第二次量子革命的主要物理平台。
2020-09-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
A photonic platform for donor spin qubits in silicon
对于即将到来的固态量子技术来说，硅-28中的施主杂质自旋是极具竞争力的量子比特，但对于多量子比特设备来说，一个经过验证的可扩展策略仍然明显缺乏。这些CMOS兼容的、原子上相同的量子位提供了显著的优势，包括3小时相干性（$T_2$）寿命，以及在$\sim\!99.9\%$附近的同时量子位初始化、操纵和读出能力。这些性质满足了许多现代量子纠错协议的要求，这些协议对于构建大规模通用量子技术至关重要。然而，一种可靠地耦合空间分离的量子位的方法，其关键是不牺牲量子位质量并且对制造缺陷具有鲁棒性，尚未被确定。在这里，我们提出了这样一个平台的施主量子位在硅中，通过利用光学可访问的“深”硫族施主。我们发现，这些捐助者发出高度均匀的光，可以光学初始化，并提供长寿命的自旋量子位基态，而不需要毫开尔文温度。这些组合性质使得硫族元素供体独特地适合于并入硅光子架构中以用于单激发单量子位读出以及用于多量子位耦合。这为硅基量子计算、自旋到光子转换、光子存储器、硅集成触发单光子源和全光硅开关打开了清晰的道路。
2016-06-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Strain effects in phosphorous bound exciton transitions in silicon
硅中的施主自旋态是量子信息处理的一个有希望的候选者。一种可能的供体自旋读出机制是束缚激子跃迁，其可以被光学激发并在其衰减时产生电信号。这种转变已经被广泛研究，但为了扩大到本地化的自旋读出，需要微制造的结构进行检测。由于这些电极将不可避免地导致硅晶格中的应变，因此了解应变如何影响激子跃迁至关重要。在这里，我们研究了硅中的磷施主束缚激子跃迁使用混合电光读出与微加工电极。我们观察到一个显着的零场分裂以及混合的空穴状态由于应变。我们可以模拟这些效应，假设已知的不对称性的孔g因子和Pikus-Bir哈密顿描述的应变。此外，我们描述了温度，激光功率和光的偏振依赖性的转变。重要的是，空穴混合不应阻止施主电子自旋读出，并且使用我们测量的参数和数值模拟，我们预计绝缘体上硅平台中的混合自旋读出应该是可能的，从而允许集成到硅光子平台。
2023-01-10 cond-mat.mes-hall
Quadrupole Shift of Nuclear Magnetic Resonance of Donors in Silicon at Low Magnetic Field
在电检测的磁共振谱中观察到硅中锑和铋施主的预期核磁共振频率的偏移大于1兆赫。通过离子注入的捐助者所产生的缺陷进行了讨论，作为源的有效电场梯度产生这些变化，通过四极相互作用与核自旋。用分子轨道理论对由施主和自旋相关的复合读出中心组成的耦合对的实验结果进行了定量建模。
2016-11-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Conditional control of donor nuclear spins in silicon using Stark shifts
电场可用于使用斯塔克位移来调谐硅中的施体自旋，由此施体电子波函数被电场移位，从而修改电子自旋与施体核自旋之间的超精细耦合。我们提出了一种技术的基础上动态去耦的电子自旋，以准确地确定斯塔克位移，并说明这一点，使用同位素纯化的硅-28锑供体。然后，我们展示了两种不同的方法，使用直流电场结合应用共振射频（RF）场有条件地控制供体核自旋。第一种方法结合了电场诱导的条件相位门与标准RF脉冲，第二种方法简单地使自旋失谐。最后，我们考虑不同的策略来减少电场不均匀性的影响并获得90%以上的工艺保真度。
2014-05-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nuclear magnetic resonance spectrum of 31P donors in silicon quantum computer
得到了硅量子计算机栅势产生的电场对超精细相互作用常数（HIC）的影响。计算了由于工艺误差引起的栅下施主原子位置误差。计算了不同HIC值下两施主原子相互作用的电子-核自旋系统的能谱。的存在下，两对反交叉水平的基态电子状态。找到了误差率可以大大降低的结构参数。
2000-12-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scalable Spin Qubit Architecture with Donor-Cluster Arrays in Silicon
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；International Quantum Academy（国际量子研究院）；Shenzhen Branch, Hefei National Laboratory（合肥国家实验室深圳分部）
该研究提出一种基于二维供体簇阵列的硅自旋量子位架构，通过共享束缚电子实现多供体地址化，利用可调交换相互作用实现局部全连接，并展示出高保真度的多量子位操作及量子纠错能力。
2026-05-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Linear hyperfine tuning of donor spins in silicon using hydrostatic strain
我们的实验研究的耦合硅中的V族施主自旋的机械应变，并测量应变引起的频率偏移是线性的应变，在对比的二次依赖预测的谷再布居模型（VRM），因此数量级大于预测的VRM为小应变$|\varepsilon| < 10^{-5}$。通过紧束缚和第一性原理计算，我们发现，这些变化产生于线性调谐的捐助者超精细相互作用项的流体静力学应变分量，并实现半定量的协议与实验值。我们的研究结果为定量预测硅纳米结构中的施主自旋提供了一个框架，例如用于开发硅基量子处理器和存储器的那些。我们测量的强自旋-应变耦合（高达150 GHz每应变，为Si中的Bi施主），提供了一种施主自旋调谐的方法-在一个线宽上用$10^{-6}$级的流体静力学应变移动Bi施主电子自旋-以及耦合到机械谐振器的机会。
2018-03-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
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
Deterministic preparation of Dicke states of donor nuclear spins in silicon by cooperative pumping
对于硅中的施主核自旋，我们展示了如何确定性地制备各种对称和不对称的Dicke态，这些态跨越了多体希尔伯特空间的完整基。态的制备是通过耦合施主电子对核自旋的合作泵浦来实现的，并且所需的控制是在量子计算的原型凯恩建议的原位。该方案仅需要亚千兆赫的施主交换耦合，无需原子级精确的施主放置即可实现，因此它提供了一种利用现有技术制备硅中自旋多体纠缠的实用方法。所有期望的Dicke状态在各种泵送情况下都表现为稳态，因此制备是稳健的，并且不需要精确的时间控制。数值模拟结果表明，在存在退相干和不需要的动力学的情况下，可以制备出10-20量子比特的Dicke态。
2012-04-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Valley-enhanced fast relaxation of gate-controlled donor qubits in silicon
界面附近施主电子的栅极控制是基于施主的量子计算的一般成分。在这里，我们解决的问题：如何声子辅助量子位弛豫时间$T_1$的电子之间的施主和界面穿梭的影响？我们专注于“触发器量子位”的例子[Tosi等人，arXiv：1509.08538v1]，定义为硅中磷供体的核态和电子态的组合，当电子在供体和界面之间的中途时，有望实现快速的电控制和长的退相时间。我们从理论上描述了轨道弛豫，触发器弛豫和电子自旋弛豫。我们估计触发器量子位弛豫时间可以是$100 \, μ\text{s}$的量级，比体硅中的施主电子的值短8个数量级，并且比预测的非均匀退相时间（门时间）短（长）几个数量级。所有这三个弛豫过程都受到（i）电子-声子相互作用的非平凡谷结构和（ii）所涉及的电子态的不同谷组成的推动。
2016-02-11 cond-mat.mes-hall 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
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
Automatic tuning of a donor in a silicon quantum device using machine learning
本文提出首个机器学习算法，可自动定位硅器件中离子注入施主的电荷跃迁、调谐单发电荷读出并识别对称隧穿栅压，实现数分钟级自动调谐，速度超越人类专家。
2025-11-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Stark tuning of the charge states of a two-donor molecule in silicon
采用紧束缚方法研究了硅中磷施主电荷量子比特的栅极控制。P2+的激发分子状态被发现施加限制上允许的供体分离和操作栅极电压。分析了表面（S）栅和势垒（B）栅在不同电压下对整个器件量子受限态的影响。研究了界面电离、隧道耦合饱和、施主敏感性和栅位置对器件性能的影响。据发现，现实的栅极控制是平滑的任何施主分离，虽然在某些施主取向的S和B门可能会得到切换功能。本文概述和分析了各种问题，在实际控制中的重要性，这样的供体分子系统。
2009-07-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Measurement of enhanced spin-orbit coupling strength for donor-bound electron spins in silicon
该研究通过多施主量子点的多体波函数，将硅中施主束缚电子自旋的自旋-轨道耦合强度局部增强两个数量级以上，为利用EDSR实现全电控制提供了新途径。
2024-04-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
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
Exchange coupling between silicon donors: the crucial role of the central cell and mass anisotropy
硅中的施主现在被证明是实现量子比特和量子信息处理的主要候选者之一。单量子位操作、测量和长相干时间已经牢固确立，但控制两个量子位相互作用的进展较慢。其中一个原因是，已经预测供体间交换耦合会随着分离而振荡，使得在器件设计中难以估计。本文提出了一个硅中施主对的多路有效质量理论，其中包括中心势和硅导带中固有的有效质量各向异性。我们能够准确地描述单施主性质的谷轨道耦合和施主波函数的空间范围，突出了拟合测量值的超精细耦合和轨道能量的$1s$水平的重要性。我们的框架很简单，可以灵活地应用于一系列实验场景，但它仍然能够提供快速可靠的预测。我们用它来估计两个施主电子之间的交换耦合，我们发现它的预期振荡的平滑，并预测如果两个施主精确地沿[100]方向间隔开的单调依赖于分离。
2014-07-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Opto-Electrical Detection of Donor Bound Excitons in Silicon-on-Insulator Substrate
University of Jyväskylä（于韦斯屈莱大学）；QuTech（奎泰克）；Netherlands Organisation for Applied Scientific Research (TNO)（荷兰应用科学研究组织）；Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学卡弗里纳米科学研究所）
本文在绝缘体上硅衬底上首次实现施主束缚激子的系综光电探测，利用俄歇复合产生电信号进行自旋读出，并观察到共振波长偏移和线宽展宽。
2026-09-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
