硅中施主的轨道斯塔克效应与量子限域转变

将单个杂质束缚电子绝热穿梭到半导体中栅极诱导的表面态，近年来引起了广泛关注，主要是在固态量子计算机架构的背景下。最近一项输运光谱实验首次能够探测到埋藏在栅极附近硅中单个施主的斯塔克位移谱。本文提出了完整的理论模型，涉及大规模量子力学模拟，用于计算斯塔克位移的施主态，以解释实验数据。在超过一百万个原子的域上使用原子级紧束缚技术，不仅有助于纳入宿主材料的完整能带结构，还能处理真实的器件几何结构和施主模型，并使用足够大的基组来捕获任意数量的施主态。该方法定量描述了当电场绝热增加时，施主电子从三维库仑限域态转变为二维表面态所经历的对称性转变。在中间场强区域，电子处于原子施主势态和表面类量子点态之间的叠加态。除了确定电场和施主深度对电子结构的影响外，该模型还提供了基于斯塔克特征区分磷施主和砷施主的基础。该方法还捕获了施主阱和界面阱中的谷轨道分裂，这是对硅量子比特至关重要的量。本文最后详细分析了屏蔽效应对施主谱的影响。