轴向磁场下GaAs1-xBix纳米线的电子结构及塞曼分裂调控研究

《iScience》：Electronic structures and Zeeman splitting in GaAs1-xBix nanowires under axial magnetic fields

本研究针对低维半导体材料在量子信息处理应用中自旋调控的关键问题，通过14带有效质量理论结合价带反交叉模型，系统研究了轴向磁场下稀铋GaAs1-xBix纳米线的电子结构和塞曼分裂特性。研究发现塞曼分裂能量与磁场呈线性关系，且通过调节纳米线直径和Bi含量可实现有效g因子的显著增强（最高达-13.56），为开发高性能自旋电子器件提供了新思路。

　　

在量子科技迅猛发展的时代，自旋自由度的精确调控成为量子信息处理技术的核心挑战。传统半导体材料虽然具有良好的电学性能，但其自旋调控能力往往受限。特别是对于低维纳米结构，如何在保持优异光电性能的同时实现高效自旋操控，一直是研究者们关注的焦点。

III-V族半导体纳米线因其独特的量子限域效应和优异的载流子传输特性，在光电器件领域展现出巨大潜力。其中，GaAs作为典型代表材料，通过掺入少量铋(Bi)元素形成的GaAs_1-xBi_x合金材料表现出非凡的特性：不仅能够有效调节带隙，还能保持较高的电子迁移率，更因其强大的自旋轨道耦合作用而备受关注。然而，目前关于该材料在磁场下的响应行为研究主要集中在体材料和量子阱结构，对纳米线系统的磁响应特性仍属空白。

针对这一研究缺口，中国科学院重庆绿色智能技术研究院的熊文研究员团队在《iScience》上发表了最新研究成果。该工作通过建立14带有效质量理论框架，首次系统揭示了轴向磁场下GaAs_1-xBi_x纳米线的电子结构特征和塞曼分裂规律。

研究采用的关键技术方法包括：14带有效质量理论结合价带反交叉(VBAC)模型构建哈密顿量，通过贝塞尔函数展开法求解薛定谔方程，基于费米黄金规则计算吸收光谱和磁圆二色性(MCD)谱，并系统分析不同直径(6-24 nm)和Bi含量(0.01-0.08)条件下的塞曼分裂特性。

电子和空穴态在磁场下的特性

在直径12 nm、Bi含量6%的纳米线中，施加20 T轴向磁场时，电子和空穴态表现出明显的自旋分裂。计算结果显示，随着磁场增强，不同总角动量量子数J的能级发生显著分裂，其中|J|=3/2的空穴态分裂尤为明显，为后续吸收光谱中的塞曼分裂现象奠定了基础。

不同条件下的吸收光谱特征

通过系统分析不同直径(6-18 nm)和Bi含量(0.02-0.06)条件下的吸收光谱，发现零磁场时σ⁺和σ^-吸收峰完全简并，而施加磁场后两者出现明显分裂。根据光学跃迁选择定则，σ⁺和σ^-分别对应ΔJ=+1和ΔJ=-1的跃迁过程，其能量差即为塞曼分裂能量ΔE_zee。

塞曼分裂能量的调控规律

研究结果表明，塞曼分裂能量与磁场强度呈严格的线性关系，且显著依赖于纳米线尺寸和Bi含量。在固定磁场强度下，增大纳米线直径可显著增强塞曼分裂，如B=20 T时，直径从6 nm增至24 nm，ΔE_zee从-4.2 meV增大至-15.7 meV。相反，提高Bi含量会削弱塞曼分裂效应，这主要源于增强的价带反交叉效应降低了空穴态的分裂能。

磁圆二色性谱的验证

归一化磁圆二色性(MCD)谱进一步证实了塞曼分裂的特征。随着磁场增强，MCD信号强度显著增加，而提高Bi含量则导致信号减弱，这一现象与吸收光谱的分析结果完全一致，从实验可测量的角度验证了理论预测的可靠性。

本研究通过系统的理论计算揭示了GaAs_1-xBi_x纳米线在轴向磁场下的独特塞曼分裂行为。最重要的发现是，通过简单调节纳米线直径和Bi含量即可实现有效g因子的大范围调控（-2.1至-13.56），这一数值显著超过传统体材料和量子阱结构的报道值。这种可调控性主要源于纳米线特有的量子限域效应与Bi元素引入的强自旋轨道耦合的协同作用。

该研究的理论意义在于首次建立了描述稀铋纳米线系统磁响应的完整理论框架，实验意义在于为设计高性能自旋量子器件提供了新材料平台。特别是大且可调的g因子使得在较低磁场下即可实现明显的塞曼分裂，大大降低了量子比特操控的技术门槛。此外，纳米线结构本身易于集成和规模化制备的优势，进一步推动了其在量子信息处理、自旋电子学和拓扑量子计算等前沿领域的应用前景。

值得注意的是，研究团队还对体材料有效质量参数在纳米线系统中的适用性进行了评估，发现非局域效应修正对最终结果影响可忽略，进一步增强了理论模型的可靠性。这项工作不仅填补了稀铋纳米线磁性质研究的空白，更为下一代量子器件的材料设计提供了重要理论指导。