近期，本源量子與中科(kē)大(dà)研究團隊合作(zuò)發表研究綜述，總結了基于石墨烯、過渡金屬硫族化合物等二維材料的栅控量子點器件(jiàn)的研究進展，討(tǎo)論了利用這類器件(jiàn)對二維材料中自(zì)旋-能谷物理(lǐ)的探索，并進一步討(tǎo)論了二維材料栅控量子點器件(jiàn)在構造量子比特實現量子計(jì)算及研究介觀物理(lǐ)現象等方面的潛在應用。該研究進展以《二維材料栅控量子點》（Gate-Controlled Quantum Dots Based on 2D Materials）爲題發表于《先進量子技術(shù)》（Advanced Quantum Technologies）雜志。

量子點是一個可(kě)被充填電子的“孤島”，由于其尺寸較小，其内部的能級呈現出分(fēn)立的結構，因而也被稱作(zuò)“人(rén)造原子”。栅控型量子點器件(jiàn)包含多個栅電極，可(kě)以對量子點中的電子能級進行電學調控。電子間的庫侖相(xiàng)互作(zuò)用使得(de)電子可(kě)以一個接一個的填充進量子點，實現單電子隧穿。因此栅控量子點器件(jiàn)提供了在單粒子層面對材料中電子開展研究的可(kě)控平台：不僅可(kě)用于對不同介觀物理(lǐ)現象的研究，也可(kě)用于構造量子比特，在量子計(jì)算、量子模拟等量子信息領域有着廣闊研究前景。相(xiàng)比于傳統的半導體(tǐ)材料，以石墨烯、過渡金屬硫族化合物爲代表的二維材料展現出了許多優異的性質，特别是提供了高度可(kě)調的能谷自(zì)由度。與自(zì)旋自(zì)由度類似，能谷自(zì)由度也可(kě)用于承載信息，對其的研究已逐漸發展成能谷電子學這一新興研究領域。

作(zuò)爲最早被發現的二維材料，具有弱自(zì)旋-軌道耦合和弱超精細相(xiàng)互作(zuò)用的石墨烯被認爲是構造自(zì)旋量子比特的理(lǐ)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栅控量子點主要是利用反應離(lí)子刻蝕與局域氧化等技術(shù)實現的刻蝕型量子點（如(rú)圖1(a)所示）。盡管在這些器件(jiàn)中實現了自(zì)旋态分(fēn)辨、高頻電子泵浦、電荷弛豫時間标定等研究工(gōng)作(zuò)，但(dàn)對刻蝕型石墨烯量子點中電子态的操控，受到刻蝕過程帶來(lái)的邊界态和無序電荷的影(yǐng)響，難以展現出其在量子信息應用中的優勢。

圖1. 不同的二維材料栅控量子點器件(jiàn)結構示意圖

爲解決這一問(wèn)題，研究團隊提出了不同的研究方案。其中，雙層石墨烯因爲可(kě)在垂直電場下打開可(kě)調的能隙，爲利用電場實現量子點的束縛提供了可(kě)能（如(rú)圖1所示）。研究團隊在雙層石墨烯栅控量子點器件(jiàn)上對自(zì)旋-能谷物理(lǐ)開展了研究：标定了雙層石墨烯中的自(zì)旋/能谷g因子、自(zì)旋軌道耦合強度，表征了自(zì)旋-能谷能級填充順序，演示了自(zì)旋-能谷泡利阻塞效應，測量了自(zì)旋弛豫時間，爲利用雙層石墨烯量子點構造自(zì)旋/能谷量子比特奠定了基礎。研究團隊還(hái)對雙層石墨烯量子點中的自(zì)旋能谷近藤效應進行了研究，展示了利用量子點器件(jiàn)研究介觀物理(lǐ)的強大(dà)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體(tǐ)材料中開展栅控量子點器件(jiàn)的研究（如(rú)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(zì)由度，受到了特别的關注。研究團隊不僅實現了高度可(kě)調的栅控單量子點、雙量子點器件(jiàn)，還(hái)利用器件(jiàn)對庫侖阻塞弱反局域化現象進行了研究，揭示了短(duǎn)程散射和強自(zì)旋軌道耦合作(zuò)用的共同貢獻。

圖2. 二維材料栅控量子點器件(jiàn)在量子信息處理(lǐ)、介觀物理(lǐ)現象研究等方面的發展前景

最後，該研究綜述對二維材料栅控量子點器件(jiàn)領域未來(lái)的發展及面臨的挑戰進行了評述（如(rú)圖2所示）。詳細闡述了圍繞構建基于二維材料量子點量子比特這一目标，在量子點電學信号讀(dú)出、電子态操控及量子點間耦合集成等方面所面臨的挑戰；與此同時，不同性質的二維材料可(kě)以方便地堆疊成異質結，基于這些異質結的栅控量子點器件(jiàn)爲研究庫珀對分(fēn)離(lí)、近藤效應、熱(rè)電輸運、磁-庫侖效應等介觀物理(lǐ)現象提供了理(lǐ)想工(gōng)具；此外，在諸如(rú)二維拓撲材料、轉角石墨烯等材料中實現栅控量子點器件(jiàn)，将有助于在單粒子層面揭示其載流子的奇異特性，發揮它們在量子電子學器件(jiàn)領域中的巨大(dà)潛能。