論文の概要: Distinguishing erbium dopants in Y$_2$O$_3$ by site symmetry: \textit{
ab initio} theory of two spin-photon interfaces
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2305.16231v1
- Date: Thu, 25 May 2023 16:42:27 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-05-26 13:40:22.582916
- Title: Distinguishing erbium dopants in Y$_2$O$_3$ by site symmetry: \textit{
ab initio} theory of two spin-photon interfaces
- Title（参考訳）: サイト対称性によるy$_2$o$_3$のエルビウムドープタントの識別:2つのスピン-光子界面の \textit{ ab initio} 理論
- Authors: Churna Bhandari, C\"uneyt \c{S}ahin, Durga Paudyal, Michael E.
Flatt\~A\c{opyright}
- Abstract要約: エルビウム(Er)をドープしたイットリア(Y$O$_3$)の欠陥形成と電子構造に関する第一原理的研究を示す。
これは、量子情報科学におけるスピン光子インターフェースの新たな材料であり、標準的な通信波長でのErドーパントからの細い光線幅の放出によるものである。
我々は、中性、負、正の電荷を持つErドーパントの生成エネルギーを計算し、その構成が実験と一致して最も安定であることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We present a first-principles study of defect formation and electronic
structure of erbium (Er)-doped yttria (Y$_2$O$_3$). This is an emerging
material for spin-photon interfaces in quantum information science due to the
narrow linewidth optical emission from Er dopants at standard telecommunication
wavelengths and their potential for quantum memories. We calculate formation
energies of neutral, negatively, and positively charged Er dopants and find the
configuration to be the most stable, consistent with experiment. Of the two
substitutional sites of Er for Y, the $C_2$ and $C_{3i}$, we identify the
former (with lower site symmetry) as possessing the lowest formation energy.
The electronic properties are calculated using the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)
functional along with the Hubbard $U$ parameter {\color{black} and spin-orbit
coupling (SOC)}, which yields a $\sim$ 6 $\mu_B$ orbital and a $\sim$ 3 $\mu_B$
spin magnetic moment, and 11 electrons in the Er $4f$ shell, confirming the
formation of charge-neutral Er$^{3+}$. This standard density functional theory
(DFT) approach underestimates the band gap of the host and lacks a
first-principles justification for $U$. To overcome these issues we performed
screened hybrid functional (HSE) calculations, including a negative $U$ for the
$4f$ orbitals, with mixing ($\alpha$) and screening ($w$) parameters. These
produced robust electronic features with slight modifications in the band gap
and the $4f$ splittings depending on the choice of tuning parameters. We also
computed the many-particle electronic excitation energies and compared them
with experimental values from photoluminescence.
- Abstract（参考訳）: エルビウム(er)ドープイットリア(y$_2$o$_3$)の欠陥形成と電子構造に関する第一原理研究を行った。
これは量子情報科学におけるスピン-光子界面の新たな材料であり、標準的な通信波長でのerドープタントからの狭い線幅の光放射と量子記憶へのポテンシャルがある。
中性、負、正に荷電されたerドーパントの形成エネルギーを計算し、その構成を実験と整合した最も安定な構成と判断する。
y に対する er の置換点である $c_2$ と $c_{3i}$ のうち、前者(低い位置対称性を持つ)は最も低い形成エネルギーを持っていると同定する。
電子的性質は、Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)関数とHubbard $U$パラメータ {\color{black} と spin-orbit coupling (SOC)} を用いて計算され、これは$\sim$ 6 $\mu_B$軌道と$\sim$ 3 $\mu_B$スピン磁気モーメント、Er 4f$シェル内の11個の電子が生成され、電荷ニュートラル Er$^{3+} が形成される。
この標準密度汎関数理論(DFT)アプローチは、ホストのバンドギャップを過小評価し、$U$の第一原理の正当化を欠いている。
これらの問題を克服するために、私たちは4f$オービタルの負のu$を含むスクリーン付きハイブリッド機能計算(hse)を行い、ミキシング(\alpha$)とスクリーニング(w$)パラメータを使った。
これらは、バンドギャップのわずかな変更と、チューニングパラメータの選択に応じて4f$の分割を含むロバストな電子的特徴を生み出した。
また,多粒子電子励起エネルギーを計算し,発光実験値と比較した。
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