近期，本源量子与中国科学技术大学研究团队联合发表了一篇研究综述，系统回顾了基于石墨烯、过渡金属硫族化合物等二维材料的栅控量子点器件的最新进展。该综述不仅深入剖析了如何借助此类器件探索二维材料中的自旋-能谷物理机制，还展望了它们在量子比特构建、量子计算以及介观物理研究中的潜在应用前景。相关成果以Gate-Controlled Quantum Dots Based on 2D Materials为题，刊登于《先进量子技术》（Advanced Quantum Technologies）期刊上。

量子点究竟是什么？简单来说，它是一种尺寸极小、能束缚电子的“人造原子”。由于尺寸达到纳米量级，内部能级呈现出类似原子的分立结构，因此常被称为“人造原子”。而栅控量子点器件通过多个栅电极，能够像调音师一样精确调控电子能级。由于电子间的库仑相互作用，电子只能逐个进入量子点，实现单电子隧穿。这使得栅控量子点器件成为在单粒子层面研究电子行为的理想平台——既可用于探索各种介观物理现象，也可用于构建量子比特，为量子计算与量子模拟奠定基础。相比传统半导体材料，石墨烯和过渡金属硫族化合物这类二维材料展现出诸多独特优势，尤其值得一提的是，它们提供了高度可调的能谷自由度。与自旋自由度类似，能谷自由度也可用于承载信息，围绕这一特性已催生出“能谷电子学”这一新兴研究领域。

作为最早发现的二维材料，石墨烯凭借其弱自旋-轨道耦合和弱超精细相互作用，一度被视为理想的“自旋量子比特”材料。然而其短板也十分明显——零能隙半金属的特性，使得在石墨烯中通过束缚电子形成栅控量子点，只能依赖反应离子刻蚀或局域氧化等“暴力”手段，制造出所谓的刻蚀型量子点（如图1(a)所示）。尽管在这些刻蚀型器件中，研究人员已成功实现自旋态分辨、高频电子泵浦、电荷弛豫时间标定等高级操作，但一个无法回避的问题是：刻蚀过程本身引入了大量边界态和无序电荷，严重削弱了对电子态的操控能力，导致石墨烯在量子信息应用中的优势大打折扣。

图1. 不同二维材料栅控量子点器件的结构示意图

面对困局，研究团队提出了几套突破方案。其中一条避开刻蚀的路径是利用双层石墨烯。为什么双层石墨烯如此特别？因为它在垂直电场作用下可以打开一个可调的能隙，使得仅用纯电场就能束缚量子点（如图1(b)所示）。研究团队在双层石墨烯栅控量子点器件上开展了一系列出色工作：标定了自旋/能谷g因子，测量了自旋-轨道耦合强度，理清了自旋-能谷能级的填充顺序，演示了自旋-能谷泡利阻塞效应，并测量了自旋弛豫时间。这些成果为后续利用双层石墨烯量子点构建自旋/能谷量子比特奠定了坚实基础。更有趣的是，他们还观察到了量子点中的自旋能谷近藤效应，这再次印证了栅控量子点器件在介观物理研究中的巨大潜力。

当然，除了在石墨烯上“开窗”，研究团队也尝试了另一条截然不同的路线：转向天生具有能隙的二维半导体材料（如图1(c)所示）。其中，二维过渡金属硫族化合物因其拥有能谷自由度而备受关注。研究团队不仅成功实现了高度可调的栅控单量子点和双量子点器件，还利用这类器件研究了库仑阻塞弱反局域化现象，并揭示了短程散射与强自旋-轨道耦合之间的共同作用。这项工作本质上是在用更“纯净”的材料平台推动量子点研究的边界拓展。

最后，这篇综述对二维材料栅控量子点器件领域的未来发展及面临挑战进行了深入评述（如图2所示）。要真正实现基于二维材料的量子比特，前方还有不少难题亟待攻克：例如量子点电学信号的读出、电子态的高效操控，以及不同量子点之间的耦合集成，每一个环节都充满技术难点。但前景同样光明——由不同性质二维材料堆叠而成的异质结，为研究库珀对分离、近藤效应、热电输运、磁-库仑效应等一系列介观物理现象，提供了前所未有的理想工具。更进一步，若能在二维拓扑材料或转角石墨烯中实现栅控量子点器件，未来将能在单粒子层面揭示这些新奇材料中载流子的奇异特性，充分发挥它们在未来量子电子学器件中的巨大潜能。

图2. 二维材料栅控量子点器件在量子信息处理与介观物理现象研究等方面的发展前景

论文信息：

Gate-Controlled Quantum Dots Based on 2D Materials
Fang-Ming Jing, Zhuo-Zhi Zhang, Guo-Quan Qin, Gang Luo, Gang Cao, Hai-Ou Li, Xiang-Xiang Song*, Guo-Ping Guo*
Advanced Quantum Technologies
DOI: 10.1002/qute.202100162