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硅中束缚于施主杂质的电子自旋-轨道耦合

DOI：10.1038/s41534-018-0111-1 期刊：npj Quantum Information 出版年份：2018 更新时间：2025-09-04 15:30:14
摘要： 自旋-轨道耦合（SOC）是凝聚态物质中广泛现象的基础，涵盖从自由电子g因子的重整化、拓扑绝缘体的形成到马约拉纳费米子的产生。在基于自旋的量子信息领域，SOC也具有深远影响——已知它会限制砷化镓等非对称反转半导体中的自旋寿命（T1）。然而对于硅中的电子（尤其是束缚于磷施主量子比特的电子），SOC通常被认为较弱，使得体材料中可实现分钟量级的自旋寿命。但令人惊讶的是，在纳米电子器件中施主自旋寿命仅能达到秒级。本文通过证明电场诱导的SOC可主导束缚电子的自旋弛豫，阐明了这一差异。通过在原子级工程器件中精确校准外磁场矢量来消除这一限制寿命的效应，我们实现了与体材料相当的自旋弛豫时间极限。鉴于技术相关硅平台中SOC出人意料的强度，我们预计该研究将推动未来对依赖原子级受限自旋强磁电耦合现象的理论与实验探索。
作者： Bent Weber，Michelle Y. Simmons，Yu-Ling Hsueh，Thomas F. Watson，Ruoyu Li，Alexander R. Hamilton，Lloyd C. L. Hollenberg，Rajib Rahman
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究电场诱导的自旋-轨道耦合对硅中施主束缚电子自旋弛豫的影响，并探索减轻该效应以实现纳米电子器件中体材料极限自旋弛豫时间的方法。

研究成果

研究表明，电场诱导的自旋-轨道耦合可主导硅中施主束缚电子的自旋弛豫，在纳米电子器件中显著缩短自旋寿命（相较于体硅）。通过精确校准外磁场方向，该限制寿命的效应可被消除，从而实现体硅极限的自旋弛豫时间。这一发现对未来量子比特架构设计具有重要启示，并为通过高阶电磁耦合操控自旋开辟了新途径。

研究不足

该研究的局限性在于纳米电子器件的特定条件及外部电磁环境。若未经进一步研究，这些发现可能无法直接适用于其他系统或配置。

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