硅中施主杂质的多谷有效质量理论模拟

去年，Salfi 等人首次直接测量了施主波函数，发现其与原子紧束缚模型的理论吻合度极高 [Salfi et al., Nat. Mater. 13, 605 (2014)]。在此，我们表明，若正确应用，多谷有效质量理论确实能与紧束缚模型达成高度一致，从而提供可靠的预测。为此，我们采用变分法求解耦合的六谷 Shindo-Nara 方程，并包含了硅的完整 Bloch 函数。令人惊讶的是，我们发现包含完整 Bloch 函数时，必须采用四面体而非球形的施主中心胞修正，才能准确重现硅中磷杂质的实验能谱。我们将此方法与原子紧束缚计算进行交叉验证，结果表明两种理论在计算施主 - 施主隧穿耦合方面吻合良好。此外，我们通过统计不确定性分析对结果进行了基准测试，证实了波函数轮廓和隧穿耦合等导出量对于变分能量涨落具有鲁棒性。最后，我们应用该方法在大搜索体积内穷举了所有施主 - 施主构型的隧穿耦合，确凿地证明隧穿耦合不存在空间稳定区域。尽管这种不稳定性给实现用于双量子比特操作的可靠施主对耦合带来了问题，但我们确定了特定的目标位置，利用扫描隧道显微镜技术将施主量子比特放置于这些位置，可实现可靠的大隧穿耦合。