基于点缺陷的固态量子比特材料的第一性原理研究
发布时间：2021-08-30 19:45
半导体和绝缘体中的空位,反位杂质,间隙杂质和替位杂质等统称为点缺陷。这些点缺陷强烈影响着半导体和绝缘体的物理性质,对它们的应用有着决定性的作用。点缺陷可以作为人工原子嵌入到半导体或绝缘体材料中,点缺陷在带隙中产生与周围的环境即与价带和导带相互隔离的缺陷态。因此,他们表现出孤立原子的量子特性却不需要复杂的隔离技术。宽禁带材料中的光学活性点缺陷具有可伸缩性,也便于集成入设备,是量子信息技术的主要组成部分,其中应用包括量子处理器、量子中继器、量子模拟器和量子传感器等。尽管点缺陷几乎在所有的半导体或绝缘体材料中都是普遍存在的,但在某些半导体或绝缘体材料中选择特定的点缺陷构型可以得到特定的电子自旋量子态,这些量子态可用于不同的量子技术。本文关注点在用于量子比特候选材料的相关宽禁带材料中的点缺陷。论文结构如下:第一章主要介绍了最具代表性的固态量子比特候选材料及密度泛函理论在筛选鉴别固态量子比特中的作用。首先简要介绍了量子比特的物理概念。接着通过密度泛函理论与实验相结合,介绍了最著名的半导体固态量子比特候选材料:金刚石中的带负电的NV色心和碳化硅中的碳硅双空位点缺陷。最后介绍了相关固态量子比特候选材...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１金刚石中的ＮＶ＿ｆｅ心的几何结构⑷，黄色原子：碳原子，蓝色原子：氮原子，黑色原??子：碳空位
组合后形成两个Ａ单态和一个ｅ??双态。这四个缺陷轨道被六个电子所占据（％单态被全部占据，而ｅ双态是半占??据的），其中３个电子来源于碳原子空位产生的３个碳悬键，２个电子来源于取??代的氮原子，最后一个来自额外捕获的电子［３Ｑ］。根据密度泛函理论（ＤＦＴ）的计??算结果表明［３１］，能量较低的其中一个４单态沉于价带中，其他的缺陷态如另外一??个七单态和ｅ双态，则位于带隙中，为自旋保留的电子跃迁提供了可能性。因此，??ＮＶ？色心具有３Ａ２基态三重态（Ｓ＝ｌ）和３Ｅ激发三重态（Ｓ＝ｌ），如图１．２ａ所示。??该结果均己被实验上的光探测共振［３２］和电子自旋共振［３３］结果证实。??（ａ）?０＞）??＾?Ｊ?＇?！?＇?＂丨－．「Ｉ?－－下一—－Ｔ—厂??３Ｅ?—??ｍ＞＝０?＿＿：??〇?ｊａ?ｋ??６３７ｎｍ?三?Ａ??１＾?ＵｌＥ??３Ａ２?＼??＼ｊＵ??一１—ｒｒ?１ｊ?ｖＴ?＾９一■—??ｍ，＊〇?ｅｎｅｒｇｙ?（ｅＶ）??图１．２金刚石中的ＮＶ？色心能级示意图及其跃迁⑷和它的理论与实验的荧光光谱（ｂ）［３４］。??如图１．２ａ所示，ＮＶ＿色心的三重基态（Ｓ＝ｌ）的自旋子能级ｍｓ＝?０和ｍｓ＝??±１具有Ｄ?＝?２．８８ＧＨｚ［３５］的自然分裂（物理上称为零场分裂，简称ＺＦＳ），这就构??成了一个典型的量子比特。如图１．１ｂ所示，通过将电子从七丨态激发到空ｅ丨态，??此时ＮＶ？色心处于激发三重态３Ｅ，跃迁的零声子线（ＺＰＬ）能量为１．９４５?ｅＶ?（６３７??ｎｍ）?［３６］。在室温下，激发态的自旋子能级ｍｓ＝〇和ｍｓ＝±ｌ具有类似地零场分??裂，其中Ｄ＝１．４２ＧＨｚ［３７］。光学激
?第１章绪论???处（６３７?ｎｍ）。经过多年的实验研究［３Ｓ］，上面的自旋初始化和读出的机制早己经??被证实。??总而言之，ＮＶ＿色心的特殊性质使其在固态量子比特之中是极具竞争力的，??除了光学寻址能力，光学初始化以及在室温下的稳健性之外，还有它在室温下的??自旋相干时间达到了毫秒量级Ｍ。??除了固态量子比特外，ＮＶ＿色心也可应用于许多其他量子技术。第一，用于??量子密钥分配ｔ３９＊＾，比如Ｂｅｖｅｒａｔｏｓ等人研究了量子密码协议的完整实现，实验??装置如下图１．３所示，使用由纳米级金刚石晶体中的单个ＮＶ＿色心构成的单光子??脉冲流。单光子脉冲是按需发射的。量子比特误码率小于４．６％，安全比特率为??７７００ｂｉｔ／ｓ。他们的系统的整体性能的优势为：单光子比基于衰减光脉冲的等效系??统具有可测量的优势。因此，单光子量子密钥分配是一种可行的长距离量子密码，??可用于表面到卫星量子密钥分配。??ａｐｄ?Ａｌｉｃｅ?Ｂｏｂ?ＡＰＤ??ＪＬ?ＪＬ?Ｈ－Ｖ?Ｂａｓｅ?ＬＲ?Ｂａｓｅ?＾??５０／５０丄?，ＡＰＤ?ｊｌ?ＡＰＤ??Ｐｏｌａｒｉｓｅｄ?ＢＳ?ＰＢＳ?＆＝＝＝＾?Ｃ＾ｇｐＥＳ??ｓｉｎｇｌｅ?ｐｈｏｔｏｎ?Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ?Ｊ?ＢＳ?Ｔ｜??Ｍｏｖａｂｌｅ?ｍｉｒｒｏｒ??图１．３金刚石中的Ｎ＼ｒ色心用于量子密钥分配的实验装置，分为Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ两部分，装置??详情见文献ｆＭ。其中ＡＰＤ为雪崩光电二极管，ＥＯＭ为电光调制器。??第二，可用于生物荧光标记［４１］，Ｃｈａｎｇ等人开发了一种实用的荧光纳米金刚??石批量生产的方法。荧光纳米金刚石（ＦＮＤｓ）具有良好的生物相容性、良好的
本文编号：3373391
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１金刚石中的ＮＶ＿ｆｅ心的几何结构⑷，黄色原子：碳原子，蓝色原子：氮原子，黑色原??子：碳空位
组合后形成两个Ａ单态和一个ｅ??双态。这四个缺陷轨道被六个电子所占据（％单态被全部占据，而ｅ双态是半占??据的），其中３个电子来源于碳原子空位产生的３个碳悬键，２个电子来源于取??代的氮原子，最后一个来自额外捕获的电子［３Ｑ］。根据密度泛函理论（ＤＦＴ）的计??算结果表明［３１］，能量较低的其中一个４单态沉于价带中，其他的缺陷态如另外一??个七单态和ｅ双态，则位于带隙中，为自旋保留的电子跃迁提供了可能性。因此，??ＮＶ？色心具有３Ａ２基态三重态（Ｓ＝ｌ）和３Ｅ激发三重态（Ｓ＝ｌ），如图１．２ａ所示。??该结果均己被实验上的光探测共振［３２］和电子自旋共振［３３］结果证实。??（ａ）?０＞）??＾?Ｊ?＇?！?＇?＂丨－．「Ｉ?－－下一—－Ｔ—厂??３Ｅ?—??ｍ＞＝０?＿＿：??〇?ｊａ?ｋ??６３７ｎｍ?三?Ａ??１＾?ＵｌＥ??３Ａ２?＼??＼ｊＵ??一１—ｒｒ?１ｊ?ｖＴ?＾９一■—??ｍ，＊〇?ｅｎｅｒｇｙ?（ｅＶ）??图１．２金刚石中的ＮＶ？色心能级示意图及其跃迁⑷和它的理论与实验的荧光光谱（ｂ）［３４］。??如图１．２ａ所示，ＮＶ＿色心的三重基态（Ｓ＝ｌ）的自旋子能级ｍｓ＝?０和ｍｓ＝??±１具有Ｄ?＝?２．８８ＧＨｚ［３５］的自然分裂（物理上称为零场分裂，简称ＺＦＳ），这就构??成了一个典型的量子比特。如图１．１ｂ所示，通过将电子从七丨态激发到空ｅ丨态，??此时ＮＶ？色心处于激发三重态３Ｅ，跃迁的零声子线（ＺＰＬ）能量为１．９４５?ｅＶ?（６３７??ｎｍ）?［３６］。在室温下，激发态的自旋子能级ｍｓ＝〇和ｍｓ＝±ｌ具有类似地零场分??裂，其中Ｄ＝１．４２ＧＨｚ［３７］。光学激
?第１章绪论???处（６３７?ｎｍ）。经过多年的实验研究［３Ｓ］，上面的自旋初始化和读出的机制早己经??被证实。??总而言之，ＮＶ＿色心的特殊性质使其在固态量子比特之中是极具竞争力的，??除了光学寻址能力，光学初始化以及在室温下的稳健性之外，还有它在室温下的??自旋相干时间达到了毫秒量级Ｍ。??除了固态量子比特外，ＮＶ＿色心也可应用于许多其他量子技术。第一，用于??量子密钥分配ｔ３９＊＾，比如Ｂｅｖｅｒａｔｏｓ等人研究了量子密码协议的完整实现，实验??装置如下图１．３所示，使用由纳米级金刚石晶体中的单个ＮＶ＿色心构成的单光子??脉冲流。单光子脉冲是按需发射的。量子比特误码率小于４．６％，安全比特率为??７７００ｂｉｔ／ｓ。他们的系统的整体性能的优势为：单光子比基于衰减光脉冲的等效系??统具有可测量的优势。因此，单光子量子密钥分配是一种可行的长距离量子密码，??可用于表面到卫星量子密钥分配。??ａｐｄ?Ａｌｉｃｅ?Ｂｏｂ?ＡＰＤ??ＪＬ?ＪＬ?Ｈ－Ｖ?Ｂａｓｅ?ＬＲ?Ｂａｓｅ?＾??５０／５０丄?，ＡＰＤ?ｊｌ?ＡＰＤ??Ｐｏｌａｒｉｓｅｄ?ＢＳ?ＰＢＳ?＆＝＝＝＾?Ｃ＾ｇｐＥＳ??ｓｉｎｇｌｅ?ｐｈｏｔｏｎ?Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ?Ｊ?ＢＳ?Ｔ｜??Ｍｏｖａｂｌｅ?ｍｉｒｒｏｒ??图１．３金刚石中的Ｎ＼ｒ色心用于量子密钥分配的实验装置，分为Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ两部分，装置??详情见文献ｆＭ。其中ＡＰＤ为雪崩光电二极管，ＥＯＭ为电光调制器。??第二，可用于生物荧光标记［４１］，Ｃｈａｎｇ等人开发了一种实用的荧光纳米金刚??石批量生产的方法。荧光纳米金刚石（ＦＮＤｓ）具有良好的生物相容性、良好的
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