非晶半导体/氧化物界面悬键自旋弛豫与磁性 1/f 噪声:理论

我们提出了一种基于非晶半导体/氧化物界面顺磁悬键的自旋翻转(而非电子俘获)的磁性噪声模型。通过悬键与非晶界面隧穿二能级系统相互作用的单声子交叉弛豫机制,推导出自旋翻转时间的宽分布。其温度与频率依赖关系对三个能量尺度敏感:悬键自旋的塞曼能量 $\delta$,以及隧穿二能级系统能级劈裂的最小值 ($E_{\min}$) 和最大值 ($E_{\max}$)。我们将模型参数与一项近期实验进行了比较与拟合,该实验探测了注入到无核自旋硅中的锑施主的自旋相干性 [T. Schenkel {\it et al.}, Appl. Phys. Lett. 88, 112101 (2006)],并得出结论:数量级为 $10^{14}\,\mathrm{cm}^{-2}$ 的悬键面密度与数据一致。这使我们能够预测在真实器件结构中,单自旋量子比特的相干时间随距界面距离和悬键面密度的变化关系。我们将该理论应用于计算由 Si/SiO$_2$ 衬底引起的 SQUID 器件的磁通噪声。对 SQUID 中磁通噪声的显式估计表明,在 $f=1\,\mathrm{Hz}$ 处噪声谱密度约为 $10^{-12}\Phi_0^2\,\mathrm{Hz}^{-1}$。该数值或许可以解释某些 SQUID 器件中磁通噪声的来源。最后,我们讨论了采用氢钝化表面来抑制这些效应,以及由完美硅氢化物表面所导致的残余核自旋噪声。