利用缪子探测 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 中稀氢的局域电子结构

通过缪子自旋旋转/弛豫（$\mu$SR）研究了单晶 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 中作为稀散赝氢的缪子（Mu）的局域电子结构。在约 25 $\mu$s 的长时范围内的高精度测量清晰识别出两种 distinct 的 Mu 态：准静态 Mu（Mu$_1$）和快速运动 Mu（Mu$_2$）。通过将此结果与近期建立的双极性模型预测相比较，这两种态分别归属于密度泛函理论（DFT）计算所预测的间隙 H 的施主（$E^{+/0}$）和受主（$E^{-/0}$）能级关联的弛豫激发态。此外，发现 Mu$_1$ 的局域电子结构为与三配位氧成键的 OMu 态。该结构几乎与 H 的热平衡态相同，且发现其充当电子施主。根据双极性模型，另一 Mu$_2$ 被认为处于氢化物态（Mu$^-$），表明其由于与传导电子的电荷交换反应（Mu$^0+e^-\rightleftarrows$Mu$^-$）通过短寿命中性态进行快速扩散运动。