量子信息中心首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)基于電勢調(diào)控的三層石墨烯量子點(diǎn)
量子信息中心首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)基于電勢調(diào)控的三層石墨烯量子點(diǎn)
2016年09月29日 瀏覽次數(shù): 0
清華大學(xué)交叉信息研究院量子信息中心宋祎璞、段路明研究組，在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)基于電勢調(diào)控的三層石墨烯量子點(diǎn)，觀察到量子點(diǎn)朗道能級的帶間雜化，研究論文《基于電極調(diào)控的少層石墨烯量子點(diǎn)中的庫倫震蕩》（Coulomb Oscillations in a Gate-Controlled Few-Layer Graphene Quantum Dot）近日發(fā)表在《納米快報》（Nano Letters）上。
圖：石墨烯量子點(diǎn)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(dǎo)體材料，石墨烯具有許多不同于普通半導(dǎo)體的特性，是最具潛力的適用于量子計算的少數(shù)材料之一。不同于常規(guī)半導(dǎo)體材料，石墨烯中弱的電子自旋-軌道耦合及超精細(xì)相互作用，使其具有遠(yuǎn)長于常規(guī)半導(dǎo)體的電子自旋相干時間。利用石墨烯電子自旋比特進(jìn)行量子計算，首先需要將電子局域在量子點(diǎn)內(nèi)，以對量子比特進(jìn)行局域性、選擇性的操控。石墨烯本身的能帶結(jié)構(gòu)沒有帶隙，而且載流子存在Klein隧穿現(xiàn)象，因而很難將電子限制在量子點(diǎn)內(nèi)，使得制備石墨烯量子點(diǎn)非常困難。在實(shí)驗(yàn)上，早期的石墨烯量子點(diǎn)制備，一般采取直接刻蝕的方法，但器件性能會受到界邊態(tài)的嚴(yán)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(zhì)量的量子點(diǎn)器件。這種基于電勢局域的量子點(diǎn)制備方法不依賴于石墨烯的邊界條件，極大地增強(qiáng)了量子點(diǎn)制備和調(diào)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(jié)構(gòu)和調(diào)控維度，但由于樣品制備的困難，目前世界上僅有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室在雙層石墨烯上制備出了電勢調(diào)控的量子點(diǎn)，而電勢調(diào)制的三層石墨烯量子點(diǎn)以前尚未實(shí)現(xiàn)。宋祎璞、段路明研究組在實(shí)驗(yàn)中觀察到石墨烯量子點(diǎn)朗道能級的帶間雜化，同時發(fā)現(xiàn)了金屬電極和介電材料的內(nèi)應(yīng)力對局域電勢有重要貢獻(xiàn)。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對未來進(jìn)行石墨烯量子點(diǎn)電勢調(diào)控以及實(shí)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)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(xué)協(xié)會(ACS)出版的綜合類高水平權(quán)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(xué)物理系大四本科生熊昊楠和蔣文韜，他們完成了實(shí)驗(yàn)的理論模擬和數(shù)值計算。量子信息中心半導(dǎo)體量子計算實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。
論文鏈接： http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02522
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