論文の概要: Identification of the I$_{10}$ Donor in ZnO as a Sn--Li Complex with Large Hyperfine Interaction
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.05615v1
- Date: Thu, 05 Mar 2026 19:18:21 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-03-09 13:17:44.384053
- Title: Identification of the I$_{10}$ Donor in ZnO as a Sn--Li Complex with Large Hyperfine Interaction
- Title（参考訳）: 大型超微粒子相互作用を有するSn-Li錯体としてのZnO中のI$_{10}$ドナーの同定
- Authors: Xingyi Wang, Sai Mu, Jeong Rae Kim, Ethan R. Hansen, Yaser Silani, Lasse Vines, Joseph Falson, Chris G. Van de Walle, Kai-Mei C. Fu,
- Abstract要約: 広い直接バンドギャップ半導体におけるドナー不純物は、スピン光子量子技術のための有望なプラットフォームを提供する。
ここでは, 浅いドナーをSn-Li錯体として生成し, 同定する。
密度汎関数理論の計算により、隣り合うSn$_mathrmZn$-Li$_mathrmZn$複合体は、好ましい形成エネルギー、Sn上に局在した電子を持つドナー特性、実験と整合した超微粒子相互作用を持つことが示された。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.4566196474786943
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Donor impurities in wide direct band gap semiconductors provide a promising platform for spin--photon quantum technologies by combining a donor spin qubit with optically addressable transitions. In ZnO, the shallow donor with the largest reported binding energy has long been associated with the I$_{10}$ bound exciton line, but its microscopic origin has remained unresolved. Here we demonstrate the controlled formation and identification of this donor as a Sn--Li complex through a combination of ion implantation, annealing, optical spectroscopy, and first-principles calculations. Resonant two-laser coherent population trapping measurements reveal an electron--$^{119}$Sn hyperfine interaction of $392 \pm 15$\,MHz, establishing a coupled electron--spin--1/2, nuclear--spin--1/2 system with one of the largest hyperfine couplings reported for shallow donors in semiconductors. Density functional theory calculations show that a nearest-neighbor Sn$_{\mathrm{Zn}}$--Li$_{\mathrm{Zn}}$ complex has favorable formation energetics, donor character with the electron localized on Sn, and an extrapolated hyperfine interaction consistent with experiment. The large donor binding energy and excited-state structure indicate enhanced thermal robustness of the optical transition relative to conventional group--III donors, while the strong hyperfine interaction enables fast electron--nuclear spin control and prospects for direct nuclear--spin--photon interfaces. We further observe efficient optically induced nuclear spin polarization, highlighting a path toward nuclear spin initialization. More broadly, our results reveal how a donor--acceptor complex can access previously unexplored regimes of shallow donor physics, extending the design space of quantum defects beyond isolated substitutional dopants.
- Abstract（参考訳）: 広い直接バンドギャップ半導体におけるドナー不純物は、ドナースピン量子ビットと光学的に対応可能な遷移を結合させることにより、スピン-フォトトン量子技術のための有望なプラットフォームを提供する。ZnOでは、ドナーと最大の結合エネルギーを持つ浅いドナーは、長い間I$_{10}$束縛エキシトン線と関連付けられてきたが、その顕微鏡的起源は未解決のままである。この記事では、イオン注入、アニール、光学分光、第一原理計算の組み合わせにより、このドナーをSn-Li錯体として制御した構成と同定を実証する。
共鳴2レーザーコヒーレント集団トラップ測定により、392 pm 15$\,MHzの電子-$^{119}$Sn超微細相互作用が示され、半導体中の浅いドナーのために報告される最も大きな超微細結合の1つである電子-スピン--1/2、核-スピン--1/2系が確立された。
密度汎関数理論の計算によれば、近傍の Sn$_{\mathrm{Zn}}$-Li$_{\mathrm{Zn}}$複合体は、Sn 上に局在した電子を持つドナー特性、実験と整合した超微細な相互作用を持つ。
大きなドナー結合エネルギーと励起状態構造は、従来のグループ-IIIドナーと比較して光転移の強い熱的堅牢性を示す一方、強い超微粒子相互作用は高速な電子-核スピン制御と直接核-スピン-光子界面の展望を可能にする。
さらに, 効率的な光誘起核スピン偏光観測を行い, 核スピン初期化への道のりを明らかにする。
より広範に、ドナー-アクセプター複合体が、未発見の浅いドナー物理学の規則にどうアクセスできるかを明らかにし、量子欠陥の設計空間を、孤立した置換ドパントを超えて拡張する。
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