g -factor symmetry and topology in semiconductor band states

对称(几何) 拓扑(电路) 半导体 物理 凝聚态物理 量子力学 数学 几何学 组合数学
作者
M. M. Sharma,David P. DiVincenzo
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (31)
标识
DOI:10.1073/pnas.2404298121
摘要

The [Formula: see text] tensor, which determines the reaction of Kramers-degenerate states to an applied magnetic field, is of increasing importance in the current design of spin qubits. It is affected by details of heterostructure composition, disorder, and electric fields, but it inherits much of its structure from the effect of the spin-orbit interaction working at the crystal-lattice level. Here, we uncover interesting symmetry and topological features of [Formula: see text] for important valence and conduction bands in silicon, germanium, and gallium arsenide. For all crystals with high (cubic) symmetry, we show that large departures from the nonrelativistic value [Formula: see text] are guaranteed by symmetry. In particular, considering the spin part [Formula: see text], we prove that the scalar function [Formula: see text] must go to zero on closed surfaces in the Brillouin zone, no matter how weak the spin-orbit coupling is. We also prove that for wave vectors [Formula: see text] on these surfaces, the Bloch states [Formula: see text] have maximal spin-orbital entanglement. Using tight-binding calculations, we observe that the surfaces [Formula: see text] exhibit many interesting topological features, exhibiting Lifshitz critical points as understood in Fermi-surface theory.
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