[论文解读] Ab initio theory of negatively charged boron vacancy qubit in hBN

Viktor Ivády, Gergely Barcza+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 7

一句话总结

本研究采用密度矩阵重正化群（DMRG）和Kohn-Sham密度泛函理论（KS-DFT）对六方氮化硼（hBN）中负电荷硼空位（B-V）缺陷进行了从头算研究，揭示了其电子结构、自旋依赖的光学跃迁以及导致光学自旋极化的声子耦合机制。该工作提供了该缺陷磁光性质的完整理论描述，包括零场分裂和超精细相互作用，与近期室温实验结果高度一致。

ABSTRACT

Highly correlated orbitals coupled with phonons in two-dimension are identified for paramagnetic and optically active boron vacancy in hexagonal boron nitride by first principles methods which are responsible for recently observed optically detected magnetic resonance signal. We report ab initio analysis of the correlated electronic structure of this center by density matrix renormalization group and Kohn-Sham density functional theory methods. By establishing the nature of the bright and dark states as well as the position of the energy levels, we provide a complete description of the magneto-optical properties and corresponding radiative and non-radiative routes which are responsible for the optical spin polarization and spin dependent luminescence of the defect. Our findings pave the way toward advancing the identification and characterization of room temperature quantum bits in two-dimensional solids.

研究动机与目标

• 解析单层hBN中负电荷硼空位（B-V）缺陷的电子与自旋结构。
• 阐明亮态与暗态的本质及其在光学自旋极化中的作用。
• 计算关键的自旋依赖参数，如零场分裂（ZFS）和超精细耦合常数（HF），以实现缺陷量子比特的识别。
• 模拟声子辅助的衰变路径，解释自旋选择性辐射与非辐射跃迁的机制。
• 为二维范德华材料中室温量子比特操作提供第一性原理基础。

提出的方法

• 采用DMRG和KS-DFT方法计算hBN中B-V缺陷的关联电子结构。
• 使用HSE06泛函以精确获得超精细和ZFS参数，并通过Biktagirov等人（2019）的方法进行自旋污染校正。
• 采用PBE泛函计算声子谱，并构建声子侧带与极小极化子谱。
• 基于轨道局域化标准（N原子上占据≥0.10），在缺陷周围定义了包含27个局域化Kohn-Sham轨道的活动空间。
• 对非活动轨道采用冻结核心近似，并通过能量窗选择法验证活动空间的有效性。
• 在DMRG中应用动态块态选择法，χ = 10⁻⁵，并结合量子信息理论以控制数值精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 hBN中负电荷硼空位的电子结构是什么，特别是其亮态与暗态的本质如何？
• RQ2 电子-声子耦合与多体关联如何影响光学自旋极化与自旋依赖发光？
• RQ3 B-V缺陷的零场分裂（ZFS）与超精细耦合常数（HF）的数值是多少？与实验测量结果如何比较？
• RQ4 自旋选择性衰变路径——包括辐射与非辐射过程——如何贡献于光学自旋初始化与读出？
• RQ5 DMRG与杂化DFT方法在多体激发态谱描述方面，对hBN中缺陷的准确性如何？

主要发现

• DMRG与KS-DFT计算成功再现了室温下实验观测到的光学检测磁共振（ODMR）信号。
• B-V缺陷的基态为双态（S = 1/2），首个激发态为三重态（S = 1），与光学自旋极化行为一致。
• 计算得到的零场分裂（ZFS）与超精细耦合常数（HF）与近期实验测量结果高度吻合。
• 构建了声子侧带与极小极化子谱，表明电子-声子耦合介导了自旋选择性非辐射衰变过程。
• 基于局域化选择的27轨道活动空间，其能级谱与基于能量窗选择的谱几乎完全一致，且能量略低，证实了其有效性。
• 三重态E''态的自旋密度可通过a₂''与e''轨道的混合良好近似，从DMRG结果证实其具有多组态特征。