量子信息中心首次實驗實現基于電勢調控的三層石墨烯量子點

2016年09月29日 瀏覽次數: 0

清華大學交叉信息研究院量子信息中心宋祎璞、段路明研究組，在實驗中首次實現基于電勢調控的三層石墨烯量子點，觀察到量子點朗道能級的帶間雜化，研究論文《基于電極調控的少層石墨烯量子點中的庫倫震蕩》（Coulomb Oscillations in a Gate-Controlled Few-Layer Graphene Quantum Dot）近日發表在《納米快報》（Nano Letters）上。

圖：石墨烯量子點中的庫倫震蕩與朗道能級的帶間雜化

作為一種新興的二維半導體材料，石墨烯具有許多不同于普通半導體的特性，是最具潛力的適用于量子計算的少數材料之一。不同于常規半導體材料，石墨烯中弱的電子自旋-軌道耦合及超精細相互作用，使其具有遠長于常規半導體的電子自旋相干時間。利用石墨烯電子自旋比特進行量子計算，首先需要將電子局域在量子點內，以對量子比特進行局域性、選擇性的操控。石墨烯本身的能帶結構沒有帶隙，而且載流子存在Klein隧穿現象，因而很難將電子限制在量子點內，使得制備石墨烯量子點非常困難。在實驗上，早期的石墨烯量子點制備，一般采取直接刻蝕的方法，但器件性能會受到界邊態的嚴重影響。

宋祎璞、段路明研究組利用頂柵、背柵對三層石墨烯施加不對稱的垂直電場使其空間對稱性破缺而打開帶隙，利用電勢局域的方法制備高質量的量子點器件。這種基于電勢局域的量子點制備方法不依賴于石墨烯的邊界條件，極大地增強了量子點制備和調制的可控性。三層石墨烯具有比雙層石墨烯更豐富的電子結構和調控維度，但由于樣品制備的困難，目前世界上僅有少數實驗室在雙層石墨烯上制備出了電勢調控的量子點，而電勢調制的三層石墨烯量子點以前尚未實現。宋祎璞、段路明研究組在實驗中觀察到石墨烯量子點朗道能級的帶間雜化，同時發現了金屬電極和介電材料的內應力對局域電勢有重要貢獻。此項實驗對未來進行石墨烯量子點電勢調控以及實現石墨烯量子點電子自旋量子比特操控研究具有重要的價值。

《納米快報》是美國化學協會(ACS)出版的綜合類高水平權威期刊。論文的共同通訊作者是交叉信息院宋祎璞副研究員和段路明教授，其他作者包括清華大學物理系大四本科生熊昊楠和蔣文韜，他們完成了實驗的理論模擬和數值計算。量子信息中心半導體量子計算實驗室的張宏毅助理研究員和薛瀟、馬程、馬玉林等研究生共同參與實驗。

論文鏈接： http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02522