半導(dǎo)體和絕緣體中的空位,反位雜質(zhì),間隙雜質(zhì)和替位雜質(zhì)等統(tǒng)稱為點(diǎn)缺陷。這些點(diǎn)缺陷強(qiáng)烈影響著半導(dǎo)體和絕緣體的物理性質(zhì),對它們的應(yīng)用有著決定性的作用。點(diǎn)缺陷可以作為人工原子嵌入到半導(dǎo)體或絕緣體材料中,點(diǎn)缺陷在帶隙中產(chǎn)生與周圍的環(huán)境即與價帶和導(dǎo)帶相互隔離的缺陷態(tài)。因此,他們表現(xiàn)出孤立原子的量子特性卻不需要復(fù)雜的隔離技術(shù)。寬禁帶材料中的光學(xué)活性點(diǎn)缺陷具有可伸縮性,也便于集成入設(shè)備,是量子信息技術(shù)的主要組成部分,其中應(yīng)用包括量子處理器、量子中繼器、量子模擬器和量子傳感器等。盡管點(diǎn)缺陷幾乎在所有的半導(dǎo)體或絕緣體材料中都是普遍存在的,但在某些半導(dǎo)體或絕緣體材料中選擇特定的點(diǎn)缺陷構(gòu)型可以得到特定的電子自旋量子態(tài),這些量子態(tài)可用于不同的量子技術(shù)。本文關(guān)注點(diǎn)在用于量子比特候選材料的相關(guān)寬禁帶材料中的點(diǎn)缺陷。論文結(jié)構(gòu)如下:第一章主要介紹了最具代表性的固態(tài)量子比特候選材料及密度泛函理論在篩選鑒別固態(tài)量子比特中的作用。首先簡要介紹了量子比特的物理概念。接著通過密度泛函理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,介紹了最著名的半導(dǎo)體固態(tài)量子比特候選材料:金剛石中的帶負(fù)電的NV色心和碳化硅中的碳硅雙空位點(diǎn)缺陷。最后介紹了相關(guān)固態(tài)量子比特候選材... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：59 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１金剛石中的ＮＶ＿ｆｅ心的幾何結(jié)構(gòu)⑷，黃色原子：碳原子，藍(lán)色原子：氮原子，黑色原??子：碳空位

組合后形成兩個Ａ單態(tài)和一個ｅ??雙態(tài)。這四個缺陷軌道被六個電子所占據(jù)（％單態(tài)被全部占據(jù)，而ｅ雙態(tài)是半占??據(jù)的），其中３個電子來源于碳原子空位產(chǎn)生的３個碳懸鍵，２個電子來源于取??代的氮原子，最后一個來自額外捕獲的電子［３Ｑ］。根據(jù)密度泛函理論（ＤＦＴ）的計(jì)??算結(jié)果表明［３１］，能量較低的其中一個４單態(tài)沉于價帶中，其他的缺陷態(tài)如另外一??個七單態(tài)和ｅ雙態(tài)，則位于帶隙中，為自旋保留的電子躍遷提供了可能性。因此，??ＮＶ？色心具有３Ａ２基態(tài)三重態(tài)（Ｓ＝ｌ）和３Ｅ激發(fā)三重態(tài)（Ｓ＝ｌ），如圖１．２ａ所示。??該結(jié)果均己被實(shí)驗(yàn)上的光探測共振［３２］和電子自旋共振［３３］結(jié)果證實(shí)。??（ａ）?０＞）??＾?Ｊ?＇?！?＇?＂丨－．「Ｉ?－－下一—－Ｔ—廠??３Ｅ?—??ｍ＞＝０?＿＿：??〇?ｊａ?ｋ??６３７ｎｍ?三?Ａ??１＾?ＵｌＥ??３Ａ２?＼??＼ｊＵ??一１—ｒｒ?１ｊ?ｖＴ?＾９一■—??ｍ，＊〇?ｅｎｅｒｇｙ?（ｅＶ）??圖１．２金剛石中的ＮＶ？色心能級示意圖及其躍遷⑷和它的理論與實(shí)驗(yàn)的熒光光譜（ｂ）［３４］。??如圖１．２ａ所示，ＮＶ＿色心的三重基態(tài)（Ｓ＝ｌ）的自旋子能級ｍｓ＝?０和ｍｓ＝??±１具有Ｄ?＝?２．８８ＧＨｚ［３５］的自然分裂（物理上稱為零場分裂，簡稱ＺＦＳ），這就構(gòu)??成了一個典型的量子比特。如圖１．１ｂ所示，通過將電子從七丨態(tài)激發(fā)到空ｅ丨態(tài)，??此時ＮＶ？色心處于激發(fā)三重態(tài)３Ｅ，躍遷的零聲子線（ＺＰＬ）能量為１．９４５?ｅＶ?（６３７??ｎｍ）?［３６］。在室溫下，激發(fā)態(tài)的自旋子能級ｍｓ＝〇和ｍｓ＝±ｌ具有類似地零場分??裂，其中Ｄ＝１．４２ＧＨｚ［３７］。光學(xué)激

?第１章緒論???處（６３７?ｎｍ）。經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)研究［３Ｓ］，上面的自旋初始化和讀出的機(jī)制早己經(jīng)??被證實(shí)。??總而言之，ＮＶ＿色心的特殊性質(zhì)使其在固態(tài)量子比特之中是極具競爭力的，??除了光學(xué)尋址能力，光學(xué)初始化以及在室溫下的穩(wěn)健性之外，還有它在室溫下的??自旋相干時間達(dá)到了毫秒量級Ｍ。??除了固態(tài)量子比特外，ＮＶ＿色心也可應(yīng)用于許多其他量子技術(shù)。第一，用于??量子密鑰分配ｔ３９＊＾，比如Ｂｅｖｅｒａｔｏｓ等人研究了量子密碼協(xié)議的完整實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)??裝置如下圖１．３所示，使用由納米級金剛石晶體中的單個ＮＶ＿色心構(gòu)成的單光子??脈沖流。單光子脈沖是按需發(fā)射的。量子比特誤碼率小于４．６％，安全比特率為??７７００ｂｉｔ／ｓ。他們的系統(tǒng)的整體性能的優(yōu)勢為：單光子比基于衰減光脈沖的等效系??統(tǒng)具有可測量的優(yōu)勢。因此，單光子量子密鑰分配是一種可行的長距離量子密碼，??可用于表面到衛(wèi)星量子密鑰分配。??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??圖１．３金剛石中的Ｎ＼ｒ色心用于量子密鑰分配的實(shí)驗(yàn)裝置，分為Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ兩部分，裝置??詳情見文獻(xiàn)ｆＭ。其中ＡＰＤ為雪崩光電二極管，ＥＯＭ為電光調(diào)制器。??第二，可用于生物熒光標(biāo)記［４１］，Ｃｈａｎｇ等人開發(fā)了一種實(shí)用的熒光納米金剛??石批量生產(chǎn)的方法。熒光納米金剛石（ＦＮＤｓ）具有良好的生物相容性、良好的


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