近期，本源量子與中(zhōng)科大(dà)研究團隊合作發表研究綜述，總結了基于石墨烯、過渡金屬硫族化合物(wù)等二維材料的栅控量子點器件的研究進展，讨論了利用這類器件對二維材料中(zhōng)自旋-能谷物(wù)理的探索，并進一(yī)步讨論了二維材料栅控量子點器件在構造量子比特實現量子計算及研究介觀物(wù)理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》（Advanced Quantum Technologies）雜(zá)志(zhì)。

量子點是一(yī)個可被充填電子的“孤島”，由于其尺寸較小(xiǎo)，其内部的能級呈現出分(fēn)立的結構，因而也被稱作“人造原子”。栅控型量子點器件包含多個栅電極，可以對量子點中(zhōng)的電子能級進行電學調控。電子間的庫侖相互作用使得電子可以一(yī)個接一(yī)個的填充進量子點，實現單電子隧穿。因此栅控量子點器件提供了在單粒子層面對材料中(zhōng)電子開(kāi)展研究的可控平台：不僅可用于對不同介觀物(wù)理現象的研究，也可用于構造量子比特，在量子計算、量子模拟等量子信息領域有着廣闊研究前景。相比于傳統的半導體(tǐ)材料，以石墨烯、過渡金屬硫族化合物(wù)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調的能谷自由度。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展成能谷電子學這一(yī)新興研究領域。

作爲最早被發現的二維材料，具有弱自旋-軌道耦合和弱超精細相互作用的石墨烯被認爲是構造自旋量子比特的理想材料之一(yī)。然而由于石墨烯的零能隙半金屬特性，在石墨烯中(zhōng)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實現的刻蝕型量子點（如圖1(a)所示）。盡管在這些器件中(zhōng)實現了自旋态分(fēn)辨、高頻(pín)電子泵浦、電荷弛豫時間标定等研究工(gōng)作，但對刻蝕型石墨烯量子點中(zhōng)電子态的操控，受到刻蝕過程帶來的邊界态和無序電荷的影響，難以展現出其在量子信息應用中(zhōng)的優勢。

圖1. 不同的二維材料栅控量子點器件結構示意圖

爲解決這一(yī)問題，研究團隊提出了不同的研究方案。其中(zhōng)，雙層石墨烯因爲可在垂直電場下(xià)打開(kāi)可調的能隙，爲利用電場實現量子點的束縛提供了可能（如圖1所示）。研究團隊在雙層石墨烯栅控量子點器件上對自旋-能谷物(wù)理開(kāi)展了研究：标定了雙層石墨烯中(zhōng)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，測量了自旋弛豫時間，爲利用雙層石墨烯量子點構造自旋/能谷量子比特奠定了基礎。研究團隊還對雙層石墨烯量子點中(zhōng)的自旋能谷近藤效應進行了研究，展示了利用量子點器件研究介觀物(wù)理的強大(dà)潛力。除了在石墨烯中(zhōng)引入能隙這一(yī)方案外(wài)，研究團隊也嘗試在天然具有能隙的二維半導體(tǐ)材料中(zhōng)開(kāi)展栅控量子點器件的研究（如圖1(c)所示）。其中(zhōng)，二維過渡金屬硫族化合物(wù)因其承載的能谷自由度，受到了特别的關注。研究團隊不僅實現了高度可調的栅控單量子點、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。

圖2. 二維材料栅控量子點器件在量子信息處理、介觀物(wù)理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領域未來的發展及面臨的挑戰進行了評述（如圖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(yī)目标，在量子點電學信号讀出、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爲研究庫珀對分(fēn)離(lí)、近藤效應、熱電輸運、磁-庫侖效應等介觀物(wù)理現象提供了理想工(gōng)具；此外(wài)，在諸如二維拓撲材料、轉角石墨烯等材料中(zhōng)實現栅控量子點器件，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領域中(zhōng)的巨大(dà)潛能。