GaAs与硅中电子与空穴的第一性原理超精细张量

理解（并控制）半导体纳米结构中的超精细相互作用，对于材料性质的基础研究以及利用电子、空穴和核自旋态进行量子信息处理都十分重要。通过第一性原理密度泛函理论（DFT）与 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 理论的结合，我们计算了 GaAs 和晶体硅中电子与空穴的超精细张量。考虑核芯附近相对论效应后，我们发现 GaAs 中电子的接触超精细相互作用与在 GaAs 量子阱上进行的奈特位移测量一致，并与从 InSb 测量外推的先前估计大致相符。我们发现，要准确确定硅中导带底电子与体奈特位移测量一致的接触超精细相互作用，必须将 DFT 与 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 理论结合。对于 GaAs 中的空穴自旋，我们从 DFT 得到的超精细耦合总体大小与基于自由原子性质的先前理论一致，也与在 GaAs（及 InGaAs）量子点中测量的重空穴 Overhauser 位移一致。此外，我们从理论上预测，重空穴对 As 核自旋的超精细耦合更强且几乎纯为伊辛型，而对 Ga 核自旋的（较弱）耦合具有显著的非伊辛修正。在硅中空穴自旋的情形，我们（惊讶地）发现价带中超精细相互作用的强度可与导带中的相比，且超精细张量在重空穴子空间中高度各向异性（伊辛型）。这些结果表明，对于近期在硅量子点中重空穴测得的相干（$T_2^{\ast}$）时间，超精细耦合不能排除为限制机制。