锗中受限的轻空穴自旋

通过将 Ge$_{1-x}$Sn$_x$/Ge/Ge$_{1-x}$Sn$_x$ 异质结的电子结构映射为 Sn 含量、残余应变和 Ge 势阱厚度的函数，研究了张应变锗量子阱中轻空穴的选择性限制。结果表明，当 Sn 含量高于 $12\,\text{at.}\%$ 且势垒中的残余压应变低于 $0.4\%$ 时，Ge 中的张应变变得足够大，从而产生具有轻空穴特性的价带边，进而在 Ge 中形成准二维轻空穴气。轻空穴基态的面内有效质量大于 Si$_{1-y}$Ge$_y$/Ge/Si$_{1-y}$Ge$_y$ 量子阱中重空穴的面内有效质量。此外，发现最优 Ge$_{1-x}$Sn$_x$/Ge/Ge$_{1-x}$Sn$_x$ 异质结中的轻空穴表现出强烈的 $g$ 张量各向异性，其面内分量比典型平面系统中重空穴的面内分量大一个数量级。三个结构反演不对称性 Rashba 参数中的两个（这两个参数在电偶极自旋共振实验中均至关重要）是重空穴量子阱中立方 Rashba 参数的 10 倍。在轻空穴选择性限制区域，异质结的每一层都是直接带隙的，这对于高效的光子-自旋量子比特接口具有潜在意义。本工作讨论了锗中受限轻空穴自旋的广泛特性，以指导轻空穴自旋器件的设计与实现。