中科大团队在二维材料的栅控量子点器件的研究中取得新进展

近期，本源量子与中科大郭国平团队合作发表研究综述，总结了基于石墨烯、过渡金属硫族化合物等二维材料的栅控量子点器件的研究进展，讨论了利用这类器件对二维材料中自旋-能谷物理的探索，并进一步讨论了二维材料栅控量子点器件在构造量子比特实现量子计算及研究介观物理现象等方面的潜在应用。该研究进展以《二维材料栅控量子点》（Gate-Controlled Quantum Dots Based on 2D Materials）为题发表于《先进量子技术》（Advanced Quantum Technologies）杂志。

量子点是一个可被充填电子的“孤岛”，由于其尺寸较小，其内部的能级呈现出分立的结构，因而也被称作“人造原子”。栅控型量子点器件包含多个栅电极，可以对量子点中的电子能级进行电学调控。电子间的库仑相互作用使得电子可以一个接一个的填充进量子点，实现单电子隧穿。因此栅控量子点器件提供了在单粒子层面对材料中电子开展研究的可控平台：不仅可用于对不同介观物理现象的研究，也可用于构造量子比特，在量子计算、量子模拟等量子信息领域有着广阔研究前景。相比于传统的半导体材料，以石墨烯、过渡金属硫族化合物为代表的二维材料展现出了许多优异的性质，特别是提供了高度可调的能谷自由度。与自旋自由度类似，能谷自由度也可用于承载信息，对其的研究已逐渐发展成能谷电子学这一新兴研究领域。

作为最早被发现的二维材料，具有弱自旋-轨道耦合和弱超精细相互作用的石墨烯被认为是构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属特性，在石墨烯中束缚形成栅控量子点主要是利用反应离子刻蚀与局域氧化等技术实现的刻蚀型量子点（如图1(a)所示）。尽管在这些器件中实现了自旋态分辨、高频电子泵浦、电荷弛豫时间标定等研究工作，但对刻蚀型石墨烯量子点中电子态的操控，受到刻蚀过程带来的边界态和无序电荷的影响，难以展现出其在量子信息应用中的优势。

图1. 不同的二维材料栅控量子点器件结构示意图

为解决这一问题，研究者们提出了不同的研究方案。其中，双层石墨烯因为可在垂直电场下打开可调的能隙，为利用电场实现量子点的束缚提供了可能（如图1(b)所示）。研究者们在双层石墨烯栅控量子点器件上对自旋-能谷物理开展了研究：标定了双层石墨烯中的自旋/能谷g因子、自旋轨道耦合强度，表征了自旋-能谷能级填充顺序，演示了自旋-能谷泡利阻塞效应，测量了自旋弛豫时间，为利用双层石墨烯量子点构造自旋/能谷量子比特奠定了基础。研究者们还对双层石墨烯量子点中的自旋能谷近藤效应进行了研究，展示了利用量子点器件研究介观物理的强大潜力。除了在石墨烯中引入能隙这一方案外，研究者们也尝试在天然具有能隙的二维半导体材料中开展栅控量子点器件的研究（如图1(c)所示）。其中，二维过渡金属硫族化合物因其承载的能谷自由度，受到了特别的关注。研究者们不仅实现了高度可调的栅控单量子点、双量子点器件，还利用器件对库仑阻塞弱反局域化现象进行了研究，揭示了短程散射和强自旋轨道耦合作用的共同贡献。

最后，此研究进展对二维材料栅控量子点器件领域未来的发展及面临的挑战进行了评述（如图2所示）。详细阐述了围绕构建基于二维材料量子点量子比特这一目标，在量子点电学信号读出、电子态操控及量子点间耦合集成等方面所面临的挑战；与此同时，不同性质的二维材料可以方便地堆叠成异质结，基于这些异质结的栅控量子点器件为研究库珀对分离、近藤效应、热电输运、磁-库仑效应等介观物理现象提供了理想工具；此外，在诸如二维拓扑材料、转角石墨烯等材料中实现栅控量子点器件，将有助于在单粒子层面揭示其载流子的奇异特性，发挥它们在量子电子学器件领域中的巨大潜能。

图2. 二维材料栅控量子点器件在量子信息处理、介观物理现象研究等方面的发展前景

论文信息：

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 Technologies

DOI: 10.1002/qute.202100162