論文の概要: First-principles hyperfine tensors for electrons and holes in GaAs and
silicon
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2001.05963v2
- Date: Wed, 4 Mar 2020 20:49:39 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-01-11 01:06:42.215059
- Title: First-principles hyperfine tensors for electrons and holes in GaAs and
silicon
- Title（参考訳）: GaAsおよびシリコン中の電子及び孔に対する第一原理超微細テンソル
- Authors: Pericles Philippopoulos, Stefano Chesi, W. A. Coish
- Abstract要約: GaAsおよび結晶シリコン中の電子と孔の超微細テンソルを計算する。
GaAs のホールスピンに対しては、超微細結合の全体的な大きさは以前の理論と一致している。
その結果、超微粒子カップリングはコヒーレンスの制限機構として除外できないことが示唆された。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Understanding (and controlling) hyperfine interactions in semiconductor
nanostructures is important for fundamental studies of material properties as
well as for quantum information processing with electron, hole, and
nuclear-spin states. Through a combination of first-principles
density-functional theory (DFT) and $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ theory, we have
calculated hyperfine tensors for electrons and holes in GaAs and crystalline
silicon. Accounting for relativistic effects near the nuclear core, we find
contact hyperfine interactions for electrons in GaAs that are consistent with
Knight-shift measurements performed on GaAs quantum wells and are roughly
consistent with prior estimates extrapolated from measurements on InSb. We find
that a combination of DFT and $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ theory is necessary
to accurately determine the contact hyperfine interaction for electrons at a
conduction-band minimum in silicon that is consistent with bulk Knight-shift
measurements. For hole spins in GaAs, the overall magnitude of the hyperfine
couplings we find from DFT is consistent with previous theory based on
free-atom properties, and with heavy-hole Overhauser shifts measured in GaAs
(and InGaAs) quantum dots. In addition, we theoretically predict that the
heavy-hole hyperfine coupling to the As nuclear spins is stronger and almost
purely Ising-like, while the (weaker) coupling to the Ga nuclear spins has
significant non-Ising corrections. In the case of hole spins in silicon, we
find (surprisingly) that the strength of the hyperfine interaction in the
valence band is comparable to that in the conduction band and that the
hyperfine tensors are highly anisotropic (Ising-like) in the heavy-hole
subspace. These results suggest that the hyperfine coupling cannot be ruled out
as a limiting mechanism for coherence ($T_2^{\ast}$) times recently measured
for heavy holes in silicon quantum dots.
- Abstract（参考訳）: 半導体ナノ構造における超微細構造の理解(および制御)は、電子、ホール、核スピン状態を用いた量子情報処理の基礎研究において重要である。
第一原理密度汎関数理論(DFT)と$\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$理論の組み合わせにより、GaAsおよび結晶シリコンの電子と孔の超微細テンソルを計算した。
核近傍での相対論的効果を考慮すると、GaAsの電子に対する接触超微粒子相互作用は、GaAs量子井戸上で行われたナイトシフト測定と一致し、InSbの測定から外挿された以前の推定値とほぼ一致している。
DFTと$\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$理論の組み合わせは、バルクナイトシフト測定と一致するシリコンの伝導バンド最小値における電子の接触超微粒子相互作用を正確に決定するために必要である。
GaAsのホールスピンについて、DFTから得られる超微粒子カップリングの全体的な大きさは、自由原子の性質に基づく以前の理論と一致し、GaAs(およびInGaAs)量子ドットで測定された重いホールオーバーハウザーシフトと一致する。
さらに,ga核スピンへの重孔超微粒子結合はより強く,ほぼ純粋にイジング様であるのに対し,ga核スピンへの(ウェカー)結合は大きな非イジング補正を有することを理論的に予測した。
シリコンのホールスピンの場合、(当然ながら)原子価帯の超微細構造相互作用の強さは導電帯のそれと同等であり、超微細構造テンソルは重孔部分空間において高度に異方性(イジング様)である。
これらの結果は、近年のシリコン量子ドットの重孔で測定されたコヒーレンス(T_2^{\ast}$)の制限機構として超微細結合を除外できないことを示唆している。
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