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Ga掺杂ZnO晶体材料室温长寿命的电子自旋相干特性

发布日期: 2021-08-12   作者:  浏览次数: 10

电子自旋自由度有望应用于超高速信息处理和量子计算。在实际应用中,对信息的操控和处理需要长寿命的自旋相干态——而且最好能在室温下传统半导体中实现。ZnO是一种宽禁带直接带隙半导体,处于近紫外光谱范围,是一种具有广泛应用的半导体材料。

半导体通常存在自由电子以及缺陷或杂质束缚的局域电子。相比于自由电子,局域电子的自旋-轨道相互作用受到极大的抑制。因此局域电子通常比自由电子具有更长的自旋寿命。最近实验室的固态体系自旋调控研究小组利用时间分辨法拉第/克尔旋转光谱研究了Ga掺杂ZnO单晶局域电子自旋相干动力学,发现在室温下电子自旋退相位时间长达5ns(依赖于激发波长和激发功率)。这是室温下利用全光学自旋激发和探测技术在ZnO基的各种维度材料(包括量子点和块体材料)中所发现的最长电子自旋相干时间。也比其他掺杂和未掺杂的III-VII-VI族块体半导体的自旋相干寿命更长,例如室温下自旋退相位时间在GaAs块体材料中最长约为110 ps;在纤锌矿结构GaN块体材料中最长约为100 ps;在立方结构GaN块体材料中最长约为2.5 ns;在CdTe块体材料中最长约为60 psGa掺杂ZnO块体自旋相干时间几乎不受横向和纵向磁场的影响,温度的影响也比较小,这些都有利于电子自旋的实际应用。根据磁场和温度依赖实验的测量结果,排除了局域电子自旋弛豫中的非均匀退相位机制、电子与核自旋超精细相互作用机制以及自旋-声子相互作用机制。研究表明,相邻局域电子的各相异性交换Dzyaloshinskii-Moriya相互作用是自旋弛豫的主导机制。相关研究结果发表Phys. Rev. B, 103, L140411 (2021) (Letter)

1 (a)Ga掺杂ZnO单晶中不同温度下的局域电子自旋动力学。(b)局域电子的自旋退相位时间随温度的依赖。



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