近期，本源量子與中科大研究團隊合作發(fā)表研究綜述，總結(jié)了基于石墨烯、過渡金屬硫族化合物等二維材料的柵控量子點器件的研究進展，討論了利用這類器件對二維材料中自旋-能谷物理的探索，并進一步討論了二維材料柵控量子點器件在構(gòu)造量子比特實現(xiàn)量子計算及研究介觀物理現(xiàn)象等方面的潛在應(yīng)用。該研究進展以《二維材料柵控量子點》（Gate-Controlled Quantum Dots Based on 2D Materials）為題發(fā)表于《先進量子技術(shù)》（Advanced Quantum Technologies）雜志。
量子點是一個可被充填電子的“孤島”，由于其尺寸較小，其內(nèi)部的能級呈現(xiàn)出分立的結(jié)構(gòu)，因而也被稱作“人造原子”。柵控型量子點器件包含多個柵電極，可以對量子點中的電子能級進行電學(xué)調(diào)控。電子間的庫侖相互作用使得電子可以一個接一個的填充進量子點，實現(xiàn)單電子隧穿。因此柵控量子點器件提供了在單粒子層面對材料中電子開展研究的可控平臺：不僅可用于對不同介觀物理現(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主要是利用反應(yīng)離子刻蝕與局域氧化等技術(shù)實現(xiàn)的刻蝕型量子點（如圖1(a)所示）。盡管在這些器件中實現(xiàn)了自旋態(tài)分辨、高頻電子泵浦、電荷弛豫時間標(biāo)定等研究工作，但對刻蝕型石墨烯量子點中電子態(tài)的操控，受到刻蝕過程帶來的邊界態(tài)和無序電荷的影響，難以展現(xiàn)出其在量子信息應(yīng)用中的優(yōu)勢。

圖1. 不同的二維材料柵控量子點器件結(jié)構(gòu)示意圖

為解決這一問題，研究團隊提出了不同的研究方案。其中，雙層石墨烯因為可在垂直電場下打開可調(diào)的能隙，為利用電場實現(xiàn)量子點的束縛提供了可能（如圖1(b)所示）。研究團隊在雙層石墨烯柵控量子點器件上對自旋-能谷物理開展了研究：標(biāo)定了雙層石墨烯中的自旋/能谷g因子、自旋軌道耦合強度，表征了自旋-能谷能級填充順序，演示了自旋-能谷泡利阻塞效應(yīng)，測量了自旋弛豫時間，為利用雙層石墨烯量子點構(gòu)造自旋/能谷量子比特奠定了基礎(chǔ)。研究團隊還對雙層石墨烯量子點中的自旋能谷近藤效應(yīng)進行了研究，展示了利用量子點器件研究介觀物理的強大潛力。除了在石墨烯中引入能隙這一方案外，研究團隊也嘗試在天然具有能隙的二維半導(dǎo)體材料中開展柵控量子點器件的研究（如圖1(c)所示）。其中，二維過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。研究團隊不僅實現(xiàn)了高度可調(diào)的柵控單量子點、雙量子點器件，還利用器件對庫侖阻塞弱反局域化現(xiàn)象進行了研究，揭示了短程散射和強自旋軌道耦合作用的共同貢獻。

最后，該研究綜述對二維材料柵控量子點器件領(lǐng)域未來的發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)進行了評述（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量子比特這一目標(biāo)，在量子點電學(xué)信號讀出、電子態(tài)操控及量子點間耦合集成等方面所面臨的挑戰(zhàn)；與此同時，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)的柵控量子點器件為研究庫珀對分離、近藤效應(yīng)、熱電輸運、磁-庫侖效應(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現(xiàn)柵控量子點器件，將有助于在單粒子層面揭示其載流子的奇異特性，發(fā)揮它們在量子電子學(xué)器件領(lǐng)域中的巨大潛能。

圖2. 二維材料柵控量子點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