book/quantum information/Silicon vacancy center in 4H-SiC: Electronic structure and spin-photon interfaces.md
2024-03-06 11:10:47 +08:00

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abstract

SiC 中的缺陷由于其性质和技术的成熟,有望被用于基于量子的应用。 我们使用群论和 DFT计算了 Si 空位的多体对称电子波函数,研究了这些态中的自旋-轨道和自旋-自旋耦合。 尽管我们只是关注于 4H 中的 Si 空位(因为它的活跃电子是奇数个),我们的方法可以推广到其它晶型,尤其是 6H。 基于这些结果,我们确认了光导致电子自旋极化的机制,得到了 the ordering of its dark doublet states 指出了电场或应变探测器的可能原理,并且计算出它的基态 ZFS 是 68 MHz与实验符合得很好。 除此以外,我们提出了两个不同的自旋-光子协议。 我们的结果推动了量子相关 SiC 应用的发展。

第一段

最近几年,固体中的深能级缺陷已经被研究在量子信息、量子传感、纳米成像包括生物成像领域。 这些深能级缺陷都有较好的性质其中最重要的就是室温下的长自旋耦合时间and integrability into a solid-state matrix。 金刚石中的 NV 缺陷已经被研究得透彻。 SiC 中的深能级缺陷是它的一个有力竞争者,因为它更便宜,更容易制备,光学发射波长更好。

第二段

SiC 中的一些缺陷与 NV 缺陷有相同的性质(包括活跃电子的数量,对称性,自旋和电子结构)。 这包括 Si-C 双空位,在今年已经被研究。 Si 空位的研究表明,这是一种独特的缺陷,包括自旋 3/2 的基态,相比于 NV 态,它定量和定性的性质都更好。 目前Si 空位的室温自旋极化和耦合控制已经通过电子自旋共振和 ODMR 实现。 与 NV 不同Si 空位的理论研究被限制于使用 DFT 寻找它的单体能级。 尽管这样的 DFT 也是很重要的,但研究多体波函数也是很重要的,这对理解缺陷结构和利用它的性质是很重要的。

第三段

在本文中,通过结合群论和 DFT我们计算了 Si 空位的多体对称电子波函数。 我们明确确定了基态和激发态的多体波函数,其中同时考虑了自旋和轨道。 我们进一步研究了自旋-轨道和自旋-自旋相互作用。 在此基础上,

  • 定量解释了实验中的电子自旋极化机制;
  • 发现了 ZFS且与实验吻合
  • 提出了一个机制,使得该缺陷可以被用于电场和应变探测器;
  • 提出了两个不同的自旋-光子协议,包括产生一系列的调制光子,并建立了一个在量子技术中有潜在应用的 lambda 系统。

TODO: lambda 系统是什么?

第四段

出现 Si 空位后,对称性从 C_{6v} 降低到 $C_{3v}$,并且留下了四个悬挂键。 使用群论推测出了波函数的形式,具体的组合系数使用 DFT 算出。 这篇文章中认为a1 比 e 低。

第五段

四个能级总共被 5 个电子占据,也可以看作是被 3 个空穴占据。 我们认为最低的三个空穴能级是ve_xe_yue_xe_yvve_x。 我们使用空穴的轨道和总自旋的本征态作张量积,然后计算了多体对称波函数。 奇数个电子和接近 T_d 对称性使得这个缺陷的结构比 NV 和 SiC 中的双原子缺陷更复杂。 因此,我们使用一个投影算符来系统地计算多体波函数。 结果列在表 1 中,通过总自旋、轨道和自旋对称性、总对称性来分类。 基态自旋为 3/2四重态附近有其它的双重态1/2它们与基态有相同的轨道部分但因为库伦作用分离开来。 TODO: 这是什么意思?

第六段

取自旋-轨道耦合的哈密顿量为各个电子自旋与轨道角动量的内积和。 轨道角动量取为:


\vec \ell = \frac{1}{2m^2c^2} (\nabla V) \times \vec p

TODO: 为什么是这样一个算符?

轨道和自旋角动量 transform as (E, A2) representation所以自旋-轨道耦合的哈密顿量在 A1 表示中。

TODO: 为什么? TODO: 剩下的没看懂。