[论文解读] 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 101

一句话总结

本研究利用簇相关展开（CCE）模拟，针对超过12,000种基质材料中的自旋量子比特电子自旋退相干时间（T2）提出了一种广义代数标度律。结果表明，碳化硅（SiC）在宽禁带非氧族化合物中具有最长的T2，而超过700种氧族化合物的T2超过SiC，同时识别出T2最高达47 ms的新候选材料，实现了无需完整从头计算的快速、精确的量子材料筛选。

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>

研究动机与目标

• 识别具有长电子自旋退相干时间（T2）的基质材料，以构建可扩展的自旋量子比特平台。
• 开发一种快速、准确且可推广的T2预测方法，无需完整从头计算模拟。
• 揭示稀释核自旋浴中T2与核自旋性质（g因子、自旋量子数、密度）之间基本标度关系。
• 在自然同位素丰度下对超过12,000种化合物进行高通量材料筛选，以识别适用于量子技术的优选候选材料。

提出的方法

• 本研究应用簇相关展开（CCE）方法，模拟电子自旋与基质材料中数千个核自旋相互作用下的T2。
• 推导出一种经验标度律，即T2,i ∝ (|gi| Ii)−1.6，其仅依赖于核自旋g因子、自旋量子数和密度。
• 该方法将复杂的核自旋浴分解为独立的特定同位素浴，从而实现对每种同位素的高效T2估算。
• 作者计算了周期表中所有元素在1.0×10^23 cm−3密度下的T2，并将结果映射至材料数据库。
• 通过Hahn回波衰减的CCE模拟，对已知体系（如4H-SiC、金刚石、Si）验证了该标度律。
• 该方法可在无需求解完整自旋哈密顿量的情况下，实现对12,000种化合物的近乎瞬时T2预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在稀释基质材料中，电子自旋退相干时间（T2）与核自旋性质之间是否存在广义标度关系？
• RQ2 在宽禁带半导体中，哪些基质材料的T2最长，特别是非氧族化合物？
• RQ3 在预测的T2方面，氧族化合物与SiC相比如何？哪些化合物的T2超过SiC？
• RQ4 是否能通过一个简单的经验模型在无需完整从头计算模拟的情况下，准确预测多种材料的T2？
• RQ5 在T2 > 10 ms且带隙 > 1 eV的条件下，哪些是适用于量子应用的顶级候选材料？

主要发现

• 碳化硅（SiC）在宽禁带非氧族化合物中具有最长的T2，预测值为1.1 ms。
• 超过700种氧族化合物的T2预测值超过SiC，其中部分超过10 ms。
• 预测T2最高的候选材料为CeO2，其T2预测值达47 ms，为所研究所有化合物中的最高值。
• 标度律T2,i ∝ (|gi| Ii)−1.6在多种材料中均能准确预测T2，经CCE模拟验证。
• 在T2 > 1 ms且带隙 > 1.0 eV的稳定化合物中，SiC是唯一非氧族化合物，而氧化物和硫化物主导了高T2列表。
• 该方法可实现对12,000种材料的快速、精确T2筛选，识别出832种T2 > 1 ms且带隙 > 1.0 eV的化合物。