[論文レビュー] Dataset: "Generalized scaling of spin qubit coherence in over 12,000 host materials"

Shun Kanai, F. Joseph Heremans+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2022

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 46被引用数 101

ひとこと要約

本研究では、12,000種以上のホスト材料においてスピンキュービットの電子スピンコherences時間（T2）に対する一般化された代数的スケーリング則を、クラスタ相関拡張（CCE）シミュレーションを用いて導出する。その結果、酸化物や硫化物に属さない広帯ギャップ非チalcogenidesの中で、炭化ケイ素（SiC）が最も長いT2を示すことが判明した。一方、700種以上のチalcogenidesがSiCを上回り、T2が最大47 msに達する新たな候補材料が同定された。この結果、完全なab initio計算を実施せずに、量子材料の迅速かつ高精度なスクリーニングが可能となる。

ABSTRACT

Accompanying data for the main text and supplemental materials of <strong><em>Generalized scaling of spin qubit coherence in over 12,000 host materials</em></strong>

研究の動機と目的

• スケーラブルなスピンキュービットプラットフォームに適した、長寿命の電子スピンコherences時間（T2）を示すホスト材料の同定。
• 完全なab initioシミュレーションを実施せずに、T2を迅速かつ高精度かつ一般化可能な方法で予測する手法の開発。
• 希薄な核スピン浴におけるT2と核スピンの性質（g因子、スピン量子数、密度）との間の根本的スケーリング関係の解明。
• 自然同位体含有比における12,000種の化合物を対象とした高スループットな材料探索を実施し、量子技術分野における優れた候補材料の同定。

提案手法

• 本研究では、ホスト材料内の数千個の核スピンと相互作用する電子スピンのT2をシミュレートするために、クラスタ相関拡張（CCE）を適用する。
• 核スピンのg因子、スピン量子数、密度にのみ依存する、現象的スケーリング則 T2,i ∝ (|gi| Ii)−1.6 を導出する。
• 複雑な核スピン浴を、独立した元素特有の浴に分解することで、各同位体ごとのT2推定を効率的に行う。
• 周期律表に含まれる全元素について、1.0×10^23 cm−3の密度条件下でT2を計算し、結果を材料データベースにマッピングする。
• Hahnエコー減衰のCCEシミュレーションを用いて、既知の系（例：4H-SiC、ダイヤモンド、Si）に対してスケーリング則の妥当性を検証する。
• 本手法により、スピンハミルトニアンの完全な解法を伴わず、12,000化合物にわたるT2予測をほぼ即座に実行可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 希薄なホスト材料において、電子スピンコherences時間（T2）と核スピン性質（g因子、スピン量子数、密度）との間の一般化されたスケーリング関係は何か？
• RQ2 特に非チalcogenidesとして、広帯ギャップ半導体の中で最も長いT2を示すホスト材料は何か？
• RQ3 チalcogenidesはSiCと比較して予測されたT2においてどのように差を示すか？また、SiCを上回るコヒーレンス時間を示す化合物は何か？
• RQ4 完全なab initioシミュレーションを実施せずに、多様な材料において単純な現象的モデルがT2を高精度に予測できるか？
• RQ5 T2 > 10 ms かつバンドギャップ > 1 eV を満たす量子応用に適した上位候補材料は何か？

主な発見

• 酸化物や硫化物に属さない広帯ギャップ非チalcogenidesの中で、炭化ケイ素（SiC）が最も長いT2を示し、予測T2は1.1 msである。
• SiCを上回るT2を示すチalcogenide化合物は700種以上予測され、その一部は10 msを超える。
• 最高の候補材料として、ジセニウムジオキシド（CeO2）が同定され、予測T2は47 msに達し、研究対象の全化合物の中で最大値を記録した。
• スケーリング則 T2,i ∝ (|gi| Ii)−1.6 は、多様な材料においてT2を高精度に予測でき、CCEシミュレーションによる検証も成功した。
• T2 > 1 ms かつバンドギャップ > 1.0 eV を満たす安定な化合物の中で、SiCは唯一の非チalcogenideであり、高T2リストには酸化物と硫化物が多数を占める。
• 本手法により、12,000の材料を対象とした迅速かつ高精度なT2スクリーニングが可能となり、T2 > 1 ms かつバンドギャップ > 1.0 eV を満たす化合物が832種に同定された。