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，并進行相關討論。該研究進展以《二維材料柵控量子點》為題發(fā)表于《先進量子技術》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相互作用的石墨烯被認為是構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離子刻蝕與局域氧化等技術實現(xiàn)的刻蝕型量子點（如圖1(a)所示）。
為解決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)出其在量子信息應用中的優(yōu)勢這一問題，研究團隊提出了不同的研究方案。
圖1. 不同的二維材料柵控量子點器件結構示意圖
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
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相互作用的石墨烯被認為是構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離子刻蝕與局域氧化等技術實現(xiàn)的刻蝕型量子點（如圖1(a)所示）。
為解決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)出其在量子信息應用中的優(yōu)勢這一問題，研究團隊提出了不同的研究方案。
圖1. 不同的二維材料柵控量子點器件結構示意圖
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，為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體材料中開展柵控量子點器件的研究（如圖1(c)所示）。
該研究綜述還對二維材料柵控量子點器件領域未來的發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)進行了評述（如圖2所示）。詳細闡述了圍繞構建基于二維材料量子點量子比特這一目標，在量子點電學信號讀出、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)。
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