在物理凝聚态实验室（PMC），研究团队首次成功确定了由于半导体原子排列缺陷导致的与自旋依赖的电子结构相关的性质。这项成果是首次测量到这种结构，其研究结果已在《物理评论快报》上发表。

像所有的晶体材料一样，半导体由在空间中完美规律排列的原子构成。然而，现实中的材料永远不可能完美无缺。即便是利用最先进的工艺在工业规模上生产，半导体仍然会存在缺陷。这些缺陷会改变材料的局部电子结构，可能带来负面影响，但在某些应用中也可能是有益的。因此，理解这些基本物理机制至关重要。这正是PMC的团队在阿加莎·乌利巴里的博士论文工作中所做的。

此次研究的半导体是镓、砷和氮的合金（GaAsN）。偶尔，一个镓原子不会遵循通常的规则排列，而是嵌入到其他原子之间。这种“间隙”缺陷改变了材料电子可以占据的能量级。在半导体中，电子可以在能带中流动：价带和更高能量的导带。例如，一个获得足够能量的电子可以从价带跃迁到导带，然后“掉回”价带，以光的形式失去能量。在两个带之间，有一个被称为“禁带”的禁止能量区，在理论上，电子在此区域没有可用的能级。缺陷的存在导致在禁带中出现了电子能级。因此，导带电子也可以通过这些禁带能级进行两步跃迁复合，而这个两步过程不会发光。

PMC的物理学家阿利斯泰尔·罗伊强调：“确定这些能级的能量至关重要，比如，如果这些能级在带隙中较‘深’，往往对设计这些半导体的设备不利。”通过与澳大利亚墨尔本大学的同行合作，PMC的研究人员首次表征了由于这种间隙缺陷在GaAsN合金中引起的这些状态的能量。最重要的是，借助一种原创的实验方法，他们成功地展示了这种电子结构如何依赖自旋。像电荷一样，自旋是电子的固有属性，可以取两个值。通过使用圆偏振光的pol-PICTS方法，从价带到导带移动的电子主要具有给定的自旋，使得通过禁带状态复合的研究变得细致入微。结果显示，镓间隙缺陷在GaAsN中不仅产生了一个而是三个状态，其能量与理论预测不符。

罗伊解释说：“这些值取决于缺陷周围化学环境的确切性质，这一点目前还不太清楚。”我们的数据可以为理论家提供一个基准，通过与我们的实验结果对比来揭示这一环境。”

这项工作利用PMC在半导体物理方面的广泛专长，提供了对这种间隙缺陷导致的物理现象更好的理解，这些缺陷在应用中可能像今天钻石中所知的“NV中心”一样被利用。最后，pol-PICTS方法对于探究其他材料可能非常有用。

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