Si 自旋量子比特阻挡材料中核自旋相互作用导致的相干性限制

在探索理解和降低 Si 自旋量子比特环境噪声的过程中，电子自旋与核自旋之间的超声相互作用构成主要挑战。硅因可通过去除含自旋的 $^{29}$Si 同位素而增强自旋相干时间而成为理想的承载材料。随着更多实验依赖于硅同位素纯化，阐明其他含自旋原子在器件中的作用就变得重要。这并非易事，因为阻挡层中原子的超声相互作用尚不为人所熟知。我们利用密度泛函理论确定 Si 和 Ge 在晶体异质 Si/SiGe 量子井中以及 Si 和 O 在非晶 Si/SiO$_2$ (MOS) 界面结构中的超声张量。基于这些结果，我们估算了由于来自自旋浴的磁噪声引起的退相干时间 $T_2^*$，并指出在 Si/SiGe (非纯化 Ge) 中相干性受非 Si 阻挡原子相互作用限制为几微秒，在 Si-MOS 中约为 100 微秒。用另一种方式表达，这些数值表明在 Si/SiGe 中，Ge 与 Ge 的相互作用在 $^{29}$Si 含量低于 1000 ppm 时占主导地位；由于天然 $^{17}$O 同位素的低天然浓度，Si-MOS 中与氧的相互作用仅在 $^{29}$Si 含量低于 1 ppm 时才变得显著。