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高自旋态在经典和量子信息存储以及新兴磁存储技术方面具有重要应用前景。本文提出了一种系统框架，用于在半导体替代杂质形成的掺杂团簇中设计此类高自旋磁态。在砷化镓等单谷材料中，杂质态呈氢原子特性，交换相互作用通常倾向于低自旋构型，除非在特殊几何结构中。相比之下，多谷半导体在其交换耦合中表现出振荡形式因子，能够实现对特定跳跃过程和交换耦合的受控抑制。利用这一特性，该研究团队展示了如何在砷化铝、锗和硅中通过精心排列杂质来稳定具有净自旋的基态，且该自旋随系统尺寸广泛扩展。在有效质量理论和跳跃的紧束缚近似框架内，该工作构建了从有限团簇到扩展晶格和类分形铺砌的明确实例。在二维情况下，研究团队识别出几种有利的掺杂几何结构，在热力学极限下支持净自旋达到完全极化值的一半左右，其中一种结构实现了超过70%的极化度。这些研究结果为利用半导体中的谷简并性构建稳健高自旋态提供了通用设计原则，并为其通过精确掺杂植入实现实验验证指明了路径。