論文の概要: Co-optimization of spin coherence and valley splitting in Si/SiGe heterostructures

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.31342v1
• Date: Fri, 29 May 2026 14:20:52 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-06-01 20:56:50.659498
• Title: Co-optimization of spin coherence and valley splitting in Si/SiGe heterostructures
• Title（参考訳）: Si/SiGeヘテロ構造におけるスピンコヒーレンスと谷分割の共最適化
• Abstract要約: 我々は密度汎関数理論を用いて、現実的なSi/SiGeヘテロ構造における谷分割とスピン脱落時間を最適化する。 よりシャープなSi/SiGe界面は、一般的に大きな谷分割と長いスピン降下時間をもたらす。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.1549572298362782
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Single electron spins can be used to encode and process information in semiconductor quantum devices. Progress has been hindered by materials challenges, such as the small energy splitting between low-lying valley states and hyperfine coupling to nuclear spins. Here we use density functional theory to optimize the valley splitting and spin dephasing time in realistic Si/SiGe heterostructures. Reductions in the Si quantum well width generally increase the valley splitting. However, in narrow quantum wells, a larger fraction of the electronic wavefunction resides in the SiGe buffer layers, which increases the hyperfine coupling with spinful $^{73}$Ge. Our work shows that Si/SiGe heterostructures with 3~--~4~nm wide quantum wells and $^{73}$Ge and $^{29}$Si concentrations of 50 ppm should support average valley splittings $E_{v}$~$>$~500~$μ$eV and spin dephasing times $T_2^*$ exceeding 15~$μ$s assuming an effective quantum dot area of 700 nm$^2$. In addition, sharper Si/SiGe interfaces in general result in larger valley splittings and longer spin dephasing times.
• Abstract（参考訳）: 単一電子スピンは、半導体量子デバイスで情報をエンコードして処理するために用いられる。 進歩は、低層谷状態間の小さなエネルギー分割や核スピンへの超微細結合など、材料的課題によって妨げられている。 ここでは密度汎関数理論を用いて、現実的なSi/SiGeヘテロ構造における谷分割とスピン脱落時間を最適化する。 Si量子井戸幅の減少は一般的に谷分割を増加させる。 しかし、狭い量子井戸では、電子波動関数の大部分がSiGeバッファー層に存在するため、スピンフルな$^{73}$Geとの超微細結合が増加する。 我々の研究は、3~----------nmの幅の量子井戸と$^{73}$Geおよび$^{29}$Si濃度50 ppmのSi/SiGeヘテロ構造が平均谷分割($E_{v}$~$>$~500~$μ$eV)をサポートし、有効量子ドット面積を700nm$^2$と仮定してスピンデファッシン時間$T_2^*$が15~$μ$sを超えることを示している。 さらに、よりシャープなSi/SiGe界面は、一般的に大きな谷分割と長いスピン降下時間をもたらす。

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