量子信息中心首次实验实现基于电势调控的三层石墨烯量子点

2016年09月29日 浏览次数: 0

清华大学交叉信息研究院量子信息中心宋祎璞、段路明研究组，在实验中首次实现基于电势调控的三层石墨烯量子点，观察到量子点朗道能级的带间杂化，研究论文《基于电极调控的少层石墨烯量子点中的库伦震荡》（Coulomb Oscillations in a Gate-Controlled Few-Layer Graphene Quantum Dot）近日发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。

图：石墨烯量子点中的库伦震荡与朗道能级的带间杂化

作为一种新兴的二维半导体材料，石墨烯具有许多不同于普通半导体的特性，是最具潜力的适用于量子计算的少数材料之一。不同于常规半导体材料，石墨烯中弱的电子自旋-轨道耦合及超精细相互作用，使其具有远长于常规半导体的电子自旋相干时间。利用石墨烯电子自旋比特进行量子计算，首先需要将电子局域在量子点内，以对量子比特进行局域性、选择性的操控。石墨烯本身的能带结构没有带隙，而且载流子存在Klein隧穿现象，因而很难将电子限制在量子点内，使得制备石墨烯量子点非常困难。在实验上，早期的石墨烯量子点制备，一般采取直接刻蚀的方法，但器件性能会受到界边态的严重影响。

宋祎璞、段路明研究组利用顶栅、背栅对三层石墨烯施加不对称的垂直电场使其空间对称性破缺而打开带隙，利用电势局域的方法制备高质量的量子点器件。这种基于电势局域的量子点制备方法不依赖于石墨烯的边界条件，极大地增强了量子点制备和调制的可控性。三层石墨烯具有比双层石墨烯更丰富的电子结构和调控维度，但由于样品制备的困难，目前世界上仅有少数实验室在双层石墨烯上制备出了电势调控的量子点，而电势调制的三层石墨烯量子点以前尚未实现。宋祎璞、段路明研究组在实验中观察到石墨烯量子点朗道能级的带间杂化，同时发现了金属电极和介电材料的内应力对局域电势有重要贡献。此项实验对未来进行石墨烯量子点电势调控以及实现石墨烯量子点电子自旋量子比特操控研究具有重要的价值。

《纳米快报》是美国化学协会(ACS)出版的综合类高水平权威期刊。论文的共同通讯作者是交叉信息院宋祎璞副研究员和段路明教授，其他作者包括清华大学物理系大四本科生熊昊楠和蒋文韬，他们完成了实验的理论模拟和数值计算。量子信息中心半导体量子计算实验室的张宏毅助理研究员和薛潇、马程、马玉林等研究生共同参与实验。

论文链接： http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02522