Quantum Computing with Acceptor Spins in Silicon
Si/SiO2界面附近的硼受体的状态结合两个低能Kramers对，具有编码量子信息的特殊性质，并且借助于应变，可以设计基于重空穴和轻空穴的自旋量子比特。而最近推出的轻孔自旋量子比特[物理评论Lett. 116，246801（2016）]，在这里，我们提出的分析和数值结果证明，一个重孔自旋量子比特可以可靠地初始化，旋转和纠缠的电气手段单独。这是由于强Rashba样的自旋轨道相互作用项使界面反转不对称。单量子位旋转依赖于电偶极自旋共振（EDSR），这是强烈增强的界面诱导的自旋轨道项。纠缠可以通过库仑交换、耦合到谐振器或自旋-轨道诱导的偶极-偶极相互作用来实现。通过分析量子比特对电荷噪声的敏感性，我们证明了界面诱导的自旋轨道项负责作为顶栅电场的函数的失相时间T2* 中的最佳点，其接近EDSR强度的最大值，其中EDSR门具有高保真度。我们表明，这两个量子位可以使用相同的起始哈密顿量来描述，并通过比较它们的性质，我们表明，体和界面诱导的自旋轨道项的复杂相互作用允许高度的电气控制，并使受体的潜在候选人可扩展的量子计算在Si中。
2016-06-15 cond-mat.mes-hall
Spin-orbit dynamics of single acceptor atoms in silicon
具有强自旋-轨道耦合的二能级量子系统允许通过微波和声子腔进行全电量子比特控制和长距离量子比特耦合，使得它们对于可扩展的量子信息技术特别感兴趣。在硅中，在受主原子的自旋3/2系统内存在强的自旋-轨道耦合，并且期望它们的能级和性质是高度可调谐的。在这里，我们显示了局部对称性调谐的影响受体自旋动力学，测量单原子制度。在商业CMOS晶体管中的两个耦合的硼原子之间的自旋选择性隧穿被用于自旋读出，这允许探测双孔自旋弛豫机制。一个弛豫热点的测量和解释的受主重，轻空穴态的混合。此外，激发态光谱表明磁场控制的原子的量子化轴的旋转。这些观测结果表明了自旋-轨道状态的可调谐性和这个自旋-3/2系统的动力学。
2017-03-10 cond-mat.mes-hall
Hole in one: Pathways to deterministic single-acceptor incorporation in Si(100)-2$\times$1
随机掺入动力学可能是使用原子精度技术的半导体制造技术的可扩展性的限制因素。虽然这些技术最近已从供体扩展到受体，但动力学对单受体掺入的影响程度尚未评估。我们开发和应用一个原子模型的单受体掺入率的几个最近证明的前体分子：乙硼烷（B $_2$ H $_6$），硼氢化物（BC 1 $_3$），铝氢化物的单体（AlCl $_3$）和二聚体形式（Al $_2$ Cl $_6$），以确定受体前体和剂量条件最有可能产生确定性的掺入。虽然所有三种前体都可以实现单受体掺入，但我们预测乙硼烷不太可能实现确定性掺入，硼氢化物可以通过适度加热（50 $^{\circ}$ C）实现确定性掺入，铝氢化物可以在室温下实现确定性掺入。我们的结论是，硼和铝双金属是原子精度单受体应用的有前途的前体，有可能使单原子量子器件的大型阵列的可靠生产。
2021-08-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
Optical spin control and coherence properties of acceptor bound holes in strained GaAs
半导体中的空穴自旋是电子自旋的潜在量子比特替代品。在像GaAs这样的核自旋丰富的基质晶体中，空穴自旋与原子核的超精细相互作用比电子弱得多，导致可能更长的相干时间。在这里，我们演示了光泵浦和相干人口捕获的应变GaAs外延层中的受体束缚空穴。我们发现$μ$ s尺度的纵向自旋弛豫时间T $_1$和非均匀退相时间T $_2^*$为$\sim$ 7~ns。我们将自旋弛豫机制归结为面内磁场中通过形变势的空穴-声子相互作用和重空穴-轻空穴混合的综合效应。我们将短T $_2^*$归因于应变不均匀性引起的g因子展宽。根据这些机理对T $_1$和T $_2^*$进行了定量计算，并与实验结果进行了比较。虽然超精细介导的退相干被减轻，我们的研究结果突出了重要的贡献，应变弛豫和退相的受体结合的空穴自旋。
2020-12-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Chern number spins of Mn acceptor magnets in GaAs
我们通过计算Mn离子的磁陈数来确定GaAs中Mn离子束缚的受主态的局域磁矩的有效总自旋$J$。我们发现，当单个Mn原子接近样品表面时，由于受主轨道矩的淬灭，总自旋从$J = 1$变为$J = 2$。对于体中的Mn对，总$J$取决于GaAs晶格中的对取向和Mn原子之间的分离。我们指出，Berry曲率的变化作为一个功能的本地矩方向可以深刻地影响这些磁性实体的量子自旋动力学。
2010-08-02 cond-mat.mes-hall
Hole-Spin-Echo Envelope Modulations
半导体量子点中的空穴自旋或与受主杂质结合的空穴自旋显示出作为潜在量子比特的希望，部分原因是它们与近端核自旋的弱的各向异性超精细耦合。由于超精细耦合很弱，因此很难测量。然而，各向异性的超精细耦合可以产生大量的自旋回波包络调制，可以进行傅立叶分析，以准确地揭示超精细张量。在这里，我们给出了一个一般的理论分析的空穴自旋回波包络调制（HSEEM），并将此分析应用到硅中的硼受体空穴自旋的具体情况。对于无应变硅中的硼受体自旋，超精细和塞曼哈密顿近似各向同性，导致可以忽略不计的包络调制。相反，在应变硅中，轻空穴自旋量子比特可以被能量隔离，我们发现超精细哈密顿量和$g$张量是足够的各向异性，给自旋回波包络调制。我们表明，有一个最佳的磁场方向，最大限度地提高了在这种情况下的包络调制的可见性。超精细耦合的微观估计的基础上，我们发现，最大调制深度可以是大量的，达到$\sim 10\%$，在一个中等的实验室磁场，$B\lesssim 200\,\mathrm{mT}$。
2019-09-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Interplay between Mn-acceptor state and Dirac surface states in Mn-doped Bi$_2$Se$_3$ topological insulator
本文研究了Bi $_2$ Se $_3$拓扑绝缘体（111）面上单个Mn杂质及其受主态的性质。结合从头计算和微观紧束缚模型，我们确定了在狄拉克点附近的电子态的反转对称性和时间反转对称性破缺的影响。在协议与实验中，我们发现的证据表明，锰离子是在${+2}$ -价态，并介绍了受体在体带隙。Mn受体主要具有$p$特征，并且主要位于Mn杂质及其最近邻的Se原子周围。它的电子结构和自旋极化由Mn $d$ -能级和周围Se原子的$p$ -能级之间的杂化决定，这强烈地受Mn位的电子相关性的影响。在狄拉克点的间隙的开放关键取决于准共振耦合和强的实空间之间的重叠的自旋手征表面状态和中间间隙自旋极化Mn受体状态。
2014-11-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Magnetic properties of substitutional Mn in (110) GaAs surface and subsurface layers
受最近的STM实验的启发，我们提出了一个理论研究的Mn诱导的受主能级的电子和磁性的GaAs（110）表面层或在表面以下的原子层之一，通过取代一个单一的Ga原子。我们采用动力学交换紧束缚模型，其中（110）面的弛豫被考虑在内。受主波函数在空间上具有很强的各向异性，其详细特征取决于Mn原子所在的亚层的深度。当Mn原子位于表面更下方时，与受主能级相关的（110）表面上的局域态密度（LDOS）对Mn磁矩的方向更敏感。我们表明，系统的总磁各向异性能量几乎完全是由于受主能级能量对Mn自旋取向的依赖性，并且这个量强烈依赖于Mn原子的深度。
2009-07-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
What Is the Real-Time Atomistic Mechanism Behind Chirality-Induced Spin Selectivity in Donor-Chiral Bridge-Acceptor Molecules?
School of Physics and Wuhan National High Magnetic Field Center, Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学物理学院与武汉国家强磁场中心）；Institute for Quantum Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学量子科学与工程研究院）
研究供体-手性桥-受体分子中手性诱导自旋选择性的微观机制，开发量子动力学模型并引入几何自旋轨道耦合机制，计算结果与实验匹配，为手性自旋电子器件设计提供理论指导。
2026-07-15 cond-mat.mes-hall
Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon
最近的运输实验和拟议的原子级半导体器件的动机，我们提出的测量，扩展扫描探针方法的范围，以辨别硅样品的表面下几十纳米的单个掺杂剂的属性。使用基于电容的方法，我们既有空间分辨的单个次表面硼受体，又有光谱检测的单个空穴进入和离开这些微小的原子系统。被确定为B+状态的共振示出从受体到受体的能量转移。我们研究这种行为与最近邻距离。通过直接测量量子能级和测试掺杂剂-掺杂剂相互作用的影响，这种方法代表了未来原子级半导体器件开发的有价值的工具。
2009-12-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
An electron-spin qubit platform assembled atom-by-atom on a surface
在原子尺度上创建量子相干结构一直是量子科学和纳米技术的一个雄心。这种最终的长度尺度需要使用原子的基本量子特性，例如电子的自旋，这在许多固态环境中自然发生，并允许通过电磁手段进行高保真操作和读出。然而，尽管经过数十年的努力，实现原子尺度的量子架构仍然是一项艰巨的任务，其中多个电子自旋量子比特可以精确组装，可控耦合和相干操作。例如，在半导体中的掺杂剂和绝缘体中的色心中产生的电子自旋量子比特可以很好地单独控制6 -8，但很难耦合到一起形成电路。另一方面，表面上的多个磁性原子和分子可以通过使用扫描隧道显微镜（STM）构建复杂的原子结构来彼此耦合，但是相干操作迄今为止仅限于隧道结中的单个量子位。在这里，我们展示了一个原子尺度的量子位平台，通过显示原子的原子结构，相干操作，并在表面上读出多个电子自旋量子位。为了能够相干控制隧道结外部的远程量子比特，我们用来自附近单原子磁体的局部磁场梯度来补充每个电子自旋。为了实现远程量子比特的读出，我们在隧道结中采用传感器量子比特并实现脉冲双电子自旋共振。使用这些方法，我们展示了快速的单，双，和三个量子比特操作在一个全电的方式。我们的工作标志着一个Angstrom规模的量子位平台的创建，在这个平台上，使用电子自旋阵列的量子功能，在表面上逐个原子地构建，现在已经触手可及。
2022-08-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
Charge-insensitive single-atom spin-orbit qubit in silicon
片上自旋量子比特阵列的高保真纠缠带来了许多挑战。自旋轨道耦合（SOC）可以通过电偶极-偶极相互作用、微波光子或声子实现长程纠缠来缓解其中一些挑战。然而，SOC使常规自旋量子位暴露于来自电噪声的退相干。在这里，我们提出了一种基于受体的硅自旋轨道量子比特，在一个甜蜜点提供远程纠缠，其中量子比特被保护免受电噪声的影响。量子位依赖于具有界面和栅极电势的四极SOC。根据表面码的要求，在预测的自旋寿命中，$10^5$电介导的单量子位和$10^4$偶极-偶极介导的双量子位门是可能的。此外，单自旋电路量子电动力学是可行的，包括色散读出，腔介导的纠缠，自旋光子纠缠。采用工业相关的硅基平台。
2017-01-05 cond-mat.mes-hall
Circuit-quantum electrodynamics with direct magnetic coupling to single-atom spin qubits in isotopically enriched 28Si
硅纳米纤维的最新进展已经允许操纵与噪声源极其隔离的自旋量子位，因此是真空中单个原子的半导体等效物。我们研究了将电子自旋量子比特直接耦合到超导共振器磁真空场的可能性。通过使用经修改以增加量子位位置处的真空磁场的谐振器和同位素纯化的28 Si衬底，可以实现比单自旋退相更快的耦合速率。这为具有自旋的电路量子电动力学开辟了新的途径，并为通过超导谐振器色散读出自旋量子比特提供了途径。
2014-08-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Magnetic interactions of substitutional Mn pairs in GaAs
我们采用动力学交换紧束缚模型计算了GaAs中一对置换Mn原子的磁相互作用和各向异性能随其间距和方向的变化。我们发现，最积极稳定的配置通常是一个自旋铁磁排列沿矢量连接锰原子。铁磁配置的特点是分裂的最高未被占用的受体水平，这是可见的扫描隧道显微镜研究时，对接近表面，是强烈依赖于对取向。当Mn对沿对称方向取向时，受主劈裂最大，当Mn对沿<110>对称方向取向时，受主劈裂最小<100>。我们明确地表明，受体分裂是不是简单地涉及到有效的交换相互作用之间的Mn本地时刻。交换相互作用常数反而更直接地与所有杂质能级的分布宽度相关--被占据的和未被占据的。当Mn对位于（110）GaAs表面时，除了Mn对的最小分离外，受主分裂和有效交换相互作用都很小。
2010-01-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
A Nanomechanical Atomic Force Qubit
本文提出利用原子力实现无辅助量子比特的硅纳米机械量子比特，工作频率60 MHz，非谐性5 MHz，并展示电路量子声动力学架构，支持色散读出与多比特操作，推动量子非线性声子学发展。
2024-07-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin dynamics of Mn impurities and their bound acceptors in GaAs
我们提出的紧束缚自旋动力学模拟的结果个别和对的替代Mn杂质在GaAs中。我们的方法是基于自旋动力学的混合量子-经典方案，与耦合的量子子系统的运动方程，代表主机，和磁性掺杂剂的本地化自旋，这是经典的治疗。在一个单一的Mn杂质的情况下，我们明确地计算的Mn自旋和最近的邻居作为原子的自旋的时间演化，其中由Mn掺杂剂引入的受体（空穴）状态驻留。我们将动力学谱中的特征频率与系统的两个主要能量尺度相关联，即自旋-轨道相互作用强度和杂质自旋与宿主载流子之间的p-d交换耦合值。对于一对锰杂质，我们发现的间接（载体介导的）交换相互作用的杂质自旋的时间演化的签名。最后，我们研究了两个Mn自旋之间的时间相关性和它们对交换耦合和自旋轨道相互作用强度的依赖性，以及对初始自旋配置和杂质之间的分离。我们的研究结果提供了深入了解本地化的磁性杂质之间的动态相互作用在纳米尺度的磁性半导体样品，在极稀（solotronics）制度。
2014-10-22 cond-mat.mes-hall
Toroidal qubits: naturally-decoupled quiet artificial atoms
量子计算的要求对量子位的扰动保护水平提出了很高的要求;特别是来自环境产生的扰动。在这里，我们提出了一个超导通量量子位设计，自然保护环境噪声。这种解耦是由于量子比特仅通过其环向矩与电磁场相互作用，这提供了不寻常的量子比特场相互作用。
2014-07-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Quantum State Transmission in a Superconducting Charge Qubit-Atom Hybrid
由宏观超导电路和微观组分（如原子和自旋）组成的混合体具有在不同量子物种之间传输任意状态的潜力，从而导致量子信息的高速操作和长时间存储的前景。在这里，我们提出了一种新的混合结构，其中一个中性原子量子比特直接接口超导电荷量子比特，实现量子比特状态的传输。高激发态的里德伯原子位于栅电容内部，对盒中库珀对的行为有很强的影响，而处于基态的里德伯原子对超导器件几乎没有干扰。此外，原子态的DC斯塔克位移显著地依赖于电荷-量子比特态。利用标准的光谱技术和扫描门电压偏置，我们展示了如何将任意量子态从超导器件转移到原子，反之亦然。
2016-11-10 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Long range electron transfer across $π$-conjugated systems: role of electron correlations
我们考虑一个原型多烯链：供体- $π$（桥）-受体。通过增加桥连原子的数目和电子转移速率来改变供体和受体之间的距离，研究了一系列不同供体D=NH $_2$、SH、OH和固定受体A=NO $_2$的k $_{et}$。即使在$\sim$ 45 $Å$的非常大的D-A分离下，我们也观察到大的k $_{et}$，这是像福斯特理论这样的众所周知的标准理论所意想不到的。这种长程电子转移是由于桥轨道中强的电子-电子相互作用导致给体轨道中的电子去限制。为了准确地解释这种相关性，已经进行了不同级别的计算：半经验和多体精确。
2005-07-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Nondestructive Probing of Means, Variances, and Correlations of Ultracold-Atomic-System Densities via Qubit Impurities
我们展示了杂质原子如何测量超冷原子气体密度的矩，使用一维晶格中玻色子的例子。这建立在通过测量浸没量子位的失相来探测系统的工作基础上。我们发现这种失相是由一个类似于概率论的特征函数的函数捕获的，其中的导数在短时间内揭示了量子位耦合的系统算子的时刻。对于由杂质原子形成的量子位，在超冷原子的系统中，该算子可以是系统在杂质位置处的密度，并且因此，原子密度的均值、方差和相关性是可访问的。
2016-04-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas physics.atom-ph
A DFT study of the structural and electronic properties of single and double acceptor dopants in MX2 monolayers
本文利用DFT系统研究了MX$_2$单层中单/双受体掺杂的结构与电子性质，发现单受体满足二维铁磁条件而双受体因JT畸变等猝灭磁矩或与长程磁有序不相容。
2024-01-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
