Fugu-MT 論文翻訳(概要): Zeeman-like coupling to valley degree of freedom in Si-based spin qubits

論文の概要: Zeeman-like coupling to valley degree of freedom in Si-based spin qubits

arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.21930v1
Date: Fri, 26 Dec 2025 08:53:12 GMT
ステータス: 情報取得中
システム内更新日: 2025-12-29 11:59:57.53219
Title: Zeeman-like coupling to valley degree of freedom in Si-based spin qubits
Title（参考訳）: Si系スピン量子ビットにおけるゼーマン様結合とバレー自由度
Authors: S Akbar Jafari, Hendrik J Bluhm, David P Divincenzo,
Abstract要約: Si系ヘテロ構造における谷分割の増大は半導体量子ビットの性能向上に不可欠である。本稿では,2つの低エネルギー伝導帯谷が独立な放物線帯ではないことを示す。これらはブリルアンゾーンのX点に由来し、ダイヤモンド格子の非同相対称性によって保護された縮退によって相互接続される。
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Abstract: Increasing the valley splitting in Si-based heterostructures is critical for improving the performance of semiconductor qubits. This paper demonstrates that the two low-energy conduction band valleys are not independent parabolic bands. Instead, they originate from the X-point of the Brillouin zone, where they are interconnected by a degeneracy protected by the non-symmorphic symmetry of the diamond lattice. This semi-Dirac-node degeneracy gives rise to the $Δ_1$ and $Δ_{2'}$ bands, which constitute the valley degrees of freedom. By explicitly computing the two-component Bloch functions $X_1^\pm$, using the wave vector group at the X-point, we determine the transformation properties of the object $(X_1^+,X_1^-)$. We demonstrate that these properties are fundamentally different from those of a spinor. Consequently, we introduce the term "valleyor" to emphasize this fundamental distinction. The transformation properties of valleyors induce corresponding transformations of the Pauli matrices $τ_1,τ_2$ and $τ_3$ in the valley space. Determining these transformations allows us to classify possible external perturbations that couple to each valley Pauli matrix, thereby identifying candidates for valley-magnetic fields, ${\mathsf B}$. These fields are defined by a Zeeman-like coupling ${\mathsf B}\cdot\vecτ$ to the valley degree of freedom. In this way, we identify scenarios where an applied magnetic field $\vec B$ can leverage other background fields, such as strain, to generate a valley-magnetic field ${\mathsf B}$. This analysis suggests that beyond the well-known mechanism of potential scattering from Ge impurities, there exist additional channels (mediated by combinations of magnetic and strain-induced vector potentials) to control the valley degree of freedom
Abstract（参考訳）: Si系ヘテロ構造における谷分割の増大は半導体量子ビットの性能向上に不可欠である。本稿では,2つの低エネルギー伝導帯谷が独立な放物線帯ではないことを示す。代わりに、それらはブリルアンゾーンのX点から派生し、ダイヤモンド格子の非同相対称性によって保護された縮退によって相互接続される。この半ディラック・ノードの縮退は、谷の自由度を構成する$Δ_1$と$Δ_{2'}$バンドを生み出す。 X点の波動ベクトル群を用いて、2成分ブロッホ関数 $X_1^\pm$ を明示的に計算することにより、対象 $(X_1^+,X_1^-)$ の変換特性を決定する。これらの性質がスピノルと根本的に異なることを実証する。したがって、この基本的な区別を強調するために、"valleyor"という用語を導入する。谷の変換特性は、谷の空間においてパウリ行列$τ_1,τ_2$および$τ_3$の対応する変換を誘導する。これらの変換を決定することにより、各谷のパウリ行列に結合する可能性のある外部摂動を分類し、谷の磁場の候補を${\mathsf B}$で特定することができる。これらの体はゼーマン的な結合 ${\mathsf B}\cdot\vecτ$ によって定義される。このようにして、応用磁場$\vec B$がひずみなどの他の背景場を利用して谷磁気場${\mathsf B}$を生成するシナリオを特定する。この分析は、Ge不純物からの電位散乱のよく知られたメカニズムを超えて、谷の自由度を制御するための追加のチャネル(磁気およびひずみ誘起ベクトル電位の組み合わせによる)が存在することを示唆している。

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