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，并進(jìn)行相關(guān)討論。該研究進(jìn)展以《二維材料柵控量子點(diǎn)》為題發(fā)表于《先進(jìn)量子技術(shù)》雜志。
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）。
為解決對(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)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了不同的研究方案。
圖1. 不同的二維材料柵控量子點(diǎn)器件結(jié)構(gòu)示意圖
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
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）。
為解決對(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)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了不同的研究方案。
圖1. 不同的二維材料柵控量子點(diǎn)器件結(jié)構(gòu)示意圖
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，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）。
該研究綜述還對(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)。
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