論文の概要: Valley-Enabled Intrinsic Dresselhaus Spin-Orbit Coupling in Silicon
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.29785v2
- Date: Tue, 01 Sep 2026 12:57:32 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-02 16:31:35.642307
- Title: Valley-Enabled Intrinsic Dresselhaus Spin-Orbit Coupling in Silicon
- Title（参考訳）: シリコンにおける内在性ドレセルハウススピン軌道カップリング
- Authors: Johannes L. P. Steinschuld, Hendrik J. Bluhm, Lars R. Schreiber, Seyed Akbar Jafari,
- Abstract要約: シリコン中のスピン軌道-バレー結合の対称性に基づく理論を示す。
磁場勾配によって生じる対称許容スピン-バレー結合を導出する。
これらの結果は、シリコンのスピン軌道物理学における基本的な要素としてバレー対称性を確立する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: We develop a symmetry-based theory of spin-orbit-valley coupling in silicon that reveals an intrinsic source of Dresselhaus spin-orbit coupling independent of interfaces or external electric fields. Treating the valley degree of freedom as a symmetry-carrying quantum degree of freedom, we show that the Dresselhaus interaction is necessarily valley off-diagonal and that a bulk contribution proportional to the valley Pauli matrix $τ_1$ is symmetry allowed. Tight-binding calculations yield a bulk coupling more than an order of magnitude larger than typical interface-induced spin-orbit coupling; achieving the same energy scale through the interface-induced mechanism would require electric fields roughly 50 times larger than typical fields. We further derive the symmetry-allowed spin-valley couplings generated by magnetic-field gradients and show how they account for the valley-dependent Zeeman splitting observed in micromagnet experiments. A slight tilt of the background magnetic field out of the plane produces an additional isotropic contribution linear in $B_z$, providing an experimentally accessible signature of the corresponding coupling constant. Finally, we predict a spin-independent micromagnet-induced valley splitting in the $τ_3$ channel, which is distinct from the $τ_{1,2}$ channels generated by alloy disorder and therefore remains robust against disorder-induced cancellation. These results establish valley symmetry as a fundamental ingredient in the spin-orbit physics of silicon and provide new mechanisms for controlling and probing spin and valley degrees of freedom in silicon quantum devices.
- Abstract（参考訳）: 我々は、界面や外部電場に依存しないドレッセルハウススピン軌道カップリングの本質的な源を明らかにするシリコン中のスピン軌道-バレーカップリングの対称性に基づく理論を開発する。
バレー自由度を対称性を持つ量子自由度として扱うと、ドレッセルハウス相互作用は必然的に谷外対角であり、谷のパウリ行列に比例するバルク寄与は対称性が許されることを示す。
タイト結合計算は、典型的な界面誘起のスピン軌道結合よりも一桁も大きいバルクカップリングを与えるが、界面誘起の機構を通じて同じエネルギースケールを達成するためには、通常の磁場の約50倍の電場を必要とする。
さらに、磁場勾配によって生じる対称性が許容されるスピン-バレー結合を導出し、マイクロマグネット実験で観察された谷依存性ゼーマン分裂がどのように説明されるかを示す。
平面外における背景磁場のわずかな傾きは、B_z$に線形な追加の等方的寄与を生じさせ、対応する結合定数の実験的にアクセス可能なシグネチャを与える。
最後に,合金障害によって生じる$τ_{1,2}$チャネルとは異なる$τ_3$チャネルにおけるスピン非依存性のマイクロマグネット誘起谷分割を予測した。
これらの結果は、シリコンのスピン軌道物理学の基本的な要素としてバレー対称性を確立し、シリコン量子デバイスにおけるスピンとバレーの自由度を制御するための新しいメカニズムを提供する。
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