論文の概要: High-spin magnetic ground states of neutral dopant clusters in semiconductors

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.03575v1
• Date: Fri, 03 Oct 2025 23:55:12 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-07 16:52:59.125453
• Title: High-spin magnetic ground states of neutral dopant clusters in semiconductors
• Title（参考訳）: 半導体中性ドーパントクラスターの高スピン磁気基底状態
• Authors: Rhine Samajdar, Haonan Zhou, R. N. Bhatt,
• Abstract要約: 高スピン状態は、古典的および量子情報ストレージと新興磁気メモリ技術に対して大きな約束を持っている。 本稿では,半導体の置換不純物から形成されるドーパントクラスターにおける高スピン磁気状態の工学的枠組みを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.688204255655161
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: High-spin states hold significant promise for classical and quantum information storage and emerging magnetic memory technologies. Here, we present a systematic framework for engineering such high-spin magnetic states in dopant clusters formed from substitutional impurities in semiconductors. In single-valley materials such as gallium arsenide, impurity states are hydrogenic and exchange interactions generally favor low-spin configurations, except in special geometries. In contrast, multivalley semiconductors exhibit oscillatory form factors in their exchange couplings, enabling the controlled suppression of selected hopping processes and exchange couplings. Exploiting this feature, we demonstrate how carefully arranged impurities in aluminum arsenide, germanium, and silicon can stabilize ground states with a net spin that scale extensively with system size. Within effective mass theory and the tight-binding approximation for hopping, we construct explicit examples ranging from finite clusters to extended lattices and fractal-like tilings. In two dimensions, we identify several favorable dopant geometries supporting a net spin equal to around half of the fully polarized value in the thermodynamic limit, including one which achieves over $70\%$ polarization. Our results provide a general design principle for harnessing valley degeneracy in semiconductors to construct robust high-spin states and outline a pathway for their experimental realization via precision implantation of dopants.
• Abstract（参考訳）: 高スピン状態は、古典的および量子情報ストレージと新興磁気メモリ技術に対して大きな約束を持っている。 本稿では,半導体の置換不純物から形成されるドーパントクラスターにおける高スピン磁気状態の工学的枠組みを提案する。 ヒ化ガリウムのような単価の材料では、不純物状態は水素であり、交換相互作用は通常、特別な測地を除いて低いスピン配置を好んでいる。 対照的に、マルチバレー半導体は交換結合における振動形因子を示し、選択されたホッピング過程と交換結合の制御を可能にする。 実験では, ヒ化アルミニウム, ゲルマニウム, シリコン中の不純物が, システムサイズとともに広範囲にスケールするネットスピンで地盤状態を安定させることを示す。 有効質量論とホッピングの密結合近似の中では、有限クラスタから拡張格子、フラクタルのようなタイリングまで、明示的な例を構築している。 2次元において、熱力学限界における完全偏極値の約半分に等しいネットスピンを支持するいくつかの好ましいドーパント測地を同定する。 本研究は, 半導体のバレー縮退を利用した高スピン状態の構築と, ドーパントの精密注入による実験的実現の道筋について概説する。

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