本源量子聯(lián)合中科大研究團(tuán)隊(duì)在二維材料柵控量子點(diǎn)器件研究方向取得新進(jìn)展

近期，本源量子與中科大研究團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表研究綜述，總結(jié)了基于石墨烯、過(guò)渡金屬硫族化合物等二維材料的柵控量子點(diǎn)器件的研究進(jìn)展，討論了利用這類器件對(duì)二維材料中自旋-能谷物理的探索，并進(jìn)一步討論了二維材料柵控量子點(diǎn)器件在構(gòu)造量子比特實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算及研究介觀物理現(xiàn)象等方面的潛在應(yīng)用。該研究進(jìn)展以《二維材料柵控量子點(diǎn)》（Gate-Controlled Quantum Dots Based on 2D Materials）為題發(fā)表于《先進(jìn)量子技術(shù)》（Advanced Quantum Technologies）雜志。
量子點(diǎn)是一個(gè)可被充填電子的“孤島”，由于其尺寸較小，其內(nèi)部的能級(jí)呈現(xiàn)出分立的結(jié)構(gòu)，因而也被稱作“人造原子”。柵控型量子點(diǎn)器件包含多個(gè)柵電極，可以對(duì)量子點(diǎn)中的電子能級(jí)進(jìn)行電學(xué)調(diào)控。電子間的庫(kù)侖相互作用使得電子可以一個(gè)接一個(gè)的填充進(jìn)量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單電子隧穿。因此柵控量子點(diǎn)器件提供了在單粒子層面對(duì)材料中電子開(kāi)展研究的可控平臺(tái)：不僅可用于對(duì)不同介觀物理現(xiàn)象的研究，也可用于構(gòu)造量子比特，在量子計(jì)算、量子模擬等量子信息領(lǐng)域有著廣闊研究前景。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，以石墨烯、過(guò)渡金屬硫族化合物為代表的二維材料展現(xiàn)出了許多優(yōu)異的性質(zhì)，特別是提供了高度可調(diào)的能谷自由度。與自旋自由度類似，能谷自由度也可用于承載信息，對(duì)其的研究已逐漸發(fā)展成能谷電子學(xué)這一新興研究領(lǐng)域。

作為最早被發(fā)現(xiàn)的二維材料，具有弱自旋-軌道耦合和弱超精細(xì)相互作用的石墨烯被認(rèn)為是構(gòu)造自旋量子比特的理想材料之一。然而由于石墨烯的零能隙半金屬特性，在石墨烯中束縛形成柵控量子點(diǎn)主要是利用反應(yīng)離子刻蝕與局域氧化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的刻蝕型量子點(diǎn)（如圖1(a)所示）。盡管在這些器件中實(shí)現(xiàn)了自旋態(tài)分辨、高頻電子泵浦、電荷弛豫時(shí)間標(biāo)定等研究工作，但對(duì)刻蝕型石墨烯量子點(diǎn)中電子態(tài)的操控，受到刻蝕過(guò)程帶來(lái)的邊界態(tài)和無(wú)序電荷的影響，難以展現(xiàn)出其在量子信息應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

圖1. 不同的二維材料柵控量子點(diǎn)器件結(jié)構(gòu)示意圖

為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了不同的研究方案。其中，雙層石墨烯因?yàn)榭稍诖怪彪妶?chǎng)下打開(kāi)可調(diào)的能隙，為利用電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的束縛提供了可能（如圖1(b)所示）。研究團(tuán)隊(duì)在雙層石墨烯柵控量子點(diǎn)器件上對(duì)自旋-能谷物理開(kāi)展了研究：標(biāo)定了雙層石墨烯中的自旋/能谷g因子、自旋軌道耦合強(qiáng)度，表征了自旋-能谷能級(jí)填充順序，演示了自旋-能谷泡利阻塞效應(yīng)，測(cè)量了自旋弛豫時(shí)間，為利用雙層石墨烯量子點(diǎn)構(gòu)造自旋/能谷量子比特奠定了基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)雙層石墨烯量子點(diǎn)中的自旋能谷近藤效應(yīng)進(jìn)行了研究，展示了利用量子點(diǎn)器件研究介觀物理的強(qiáng)大潛力。除了在石墨烯中引入能隙這一方案外，研究團(tuán)隊(duì)也嘗試在天然具有能隙的二維半導(dǎo)體材料中開(kāi)展柵控量子點(diǎn)器件的研究（如圖1(c)所示）。其中，二維過(guò)渡金屬硫族化合物因其承載的能谷自由度，受到了特別的關(guān)注。研究團(tuán)隊(duì)不僅實(shí)現(xiàn)了高度可調(diào)的柵控單量子點(diǎn)、雙量子點(diǎn)器件，還利用器件對(duì)庫(kù)侖阻塞弱反局域化現(xiàn)象進(jìn)行了研究，揭示了短程散射和強(qiáng)自旋軌道耦合作用的共同貢獻(xiàn)。

最后，該研究綜述對(duì)二維材料柵控量子點(diǎn)器件領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了評(píng)述（如圖2所示）。詳細(xì)闡述了圍繞構(gòu)建基于二維材料量子點(diǎn)量子比特這一目標(biāo)，在量子點(diǎn)電學(xué)信號(hào)讀出、電子態(tài)操控及量子點(diǎn)間耦合集成等方面所面臨的挑戰(zhàn)；與此同時(shí)，不同性質(zhì)的二維材料可以方便地堆疊成異質(zhì)結(jié)，基于這些異質(zhì)結(jié)的柵控量子點(diǎn)器件為研究庫(kù)珀對(duì)分離、近藤效應(yīng)、熱電輸運(yùn)、磁-庫(kù)侖效應(yīng)等介觀物理現(xiàn)象提供了理想工具；此外，在諸如二維拓?fù)洳牧稀⑥D(zhuǎn)角石墨烯等材料中實(shí)現(xiàn)柵控量子點(diǎn)器件，將有助于在單粒子層面揭示其載流子的奇異特性，發(fā)揮它們?cè)诹孔与娮訉W(xué)器件領(lǐng)域中的巨大潛能。

圖2. 二維材料柵控量子點(diǎn)器件在量子信息處理、介觀物理現(xiàn)象研究等方面的發(fā)展前景

論文信息：

Gate-Controlled Quantum Dots Based on 2D Materials

Fang-Ming Jing, Zhuo-Zhi Zhang, Guo-Quan Qin, Gang Luo, Gang Cao, Hai-Ou Li, Xiang-Xiang Song*, Guo-Ping Guo*Advanced Quantum TechnologiesDOI: 10.1002/qute.202100162