半导体纳米结构的空穴自旋的相干性质

The aim of this project is to explore aspects of spin coherence in low-dimensional semiconductor nanostructures based on hole carriers. Due to their more complex band-structure, especially the stronger intrinsic spin-orbit coupling, the spin properties of nanodevices based on holes are generally much richer that the corresponding electron devices and can allow for a better performance. We will advance the theoretical understanding in this field with a special focus on these topics: effects of the spin-orbit interaction on transport features, the spin-manipulation of single and multiple electron quantum dots by using sweet spots induced by the spin-orbit interaction, and the decoherence properties of hole-spin qubits, both due to coupling with phonons and the nuclear spin bath. In relation to the problem of nuclear decoherence, we will explore strategies to engineer the hyperfine interaction in core/shell Si/Ge nanowires, since hole-based spin-qubits based on this system were recently demonstrated in the lab. The transport features related to the creation of nuclear coherence will be investigated for this specific setup .

本项目将研究低维半导体结构中空穴自旋的量子相干性质。与电荷相比，空穴载流子的能带结构更复杂，并具有较强的内禀自旋轨道耦合，因此基于空穴的纳米器件通常有更为丰富的物理，也由此提供了更多的量子操控的可能和提高器件性能的潜在优势。我们将集中从以下几个方面来加深我们对空穴的相干性质的物理理解、并探索它在纳米器件中的应用：深入研究自旋轨道耦合对量子输运带来的影响；在单个和多个量子点中利用自旋轨道耦合构造最优控制点、优化量子操作；空穴量子比特在声子和核自旋的影响下的退相干机制。在空穴自旋比特的退相干机制的研究中，我们将结合有关核/壳结构的Si/Ge纳米线量子点中的空穴量子比特的最新实验结果，探索如何在该纳米结构中操控超精细相互作用，以及在此装置中与核自旋的量子相干性质有关的量子输运特征。

本项目的研究目标定位于低维半导体纳米结构中空穴载流子的自旋相干性。由于其更加复杂的能带结构及强的内禀自旋——轨道耦合，比起电子而言基于空穴的纳米器件更具丰富的自旋特性，这些特性赋予器件更优的性能。通过微扰数值结合的办法，并采用基于密度泛函理论的从头算法及原子系统的估计，我们分别对参杂于硅或砷化镓中硼杂质的空穴——核自旋超精细相互作用进行了计算。我们发现该相互作用具有很强的各向异性，并提出通过自旋回波包络调制的实验探测方案。此外，我们考虑了适于空穴自旋的具有各向异性自旋相互作用的可积中心自旋系统的精确解。并发现了该系统中类似于量子腔JC模型的塌缩——回复动力学行为。本项目中还考虑的其它有关自旋操纵以及退相干的问题包括：强驱动（益于快速自旋操纵）极限下，核自旋对电偶极自旋共振的影响；以及耦合到共同量子总线的远距自旋比特间量子态传输的最优控制。我们也考虑了具有强自旋——轨道耦合系统中的输运特性及磁性。通过平均场近似，我们对强Rashba自旋——轨道耦合下自旋纹理铁磁态的相图进行了表征，并提出了通过找寻各种情况下的可能边界态的方法来实现紧束缚模型中一类新的拓扑半金属。最后，我们在相互作用局域自旋模型的求解方面也倾注了大量精力。结合精确对角化、量子蒙特卡洛，和有效模型方法，我们找到了海森堡铁磁元激发（即相互作用磁振子和自旋子）反常色散的一种新的理解方式。利用Jordan-Wigner变换及Keldysh格林函数方法，我们考虑了非平衡可积自旋链的精确解问题。我们发现了一类以一阶、二阶相变共存（一种混合阶相变）为特征的新的临界点。此外，我们还分析了这些自旋系统当耦合到量子腔时所能被诱导的量子相变。