中国科大在石墨烯量子点器件中实现对单电子自旋填充顺序的电学调控

　　中国科年夜郭光灿院士团队郭国平、宋骧骧等与根源量子计较有限公司互助，哄骗双层石墨烯中迷你能谷（minivalley）自由度与自旋自由度之间的彼此作用，完成了对石墨烯量子点中单电子自旋填充挨次的电学调控。研究结果以“Switching spin filling sequence in a bilayer graphene quantum dot through trigonal warping”为题，作为封面文章颁发正在1月21日出书的国际物理出名期刊《Physical Review Letters》上，并当选为“编纂保举”（Editors’ Suggestion）。

　　石墨烯因其较弱的自旋轨道耦合以及超精致彼此作用，被以为是承载自旋量子比特的抱负资料系统之一。其特殊的能带布局为电子供给了能谷等没有同于电荷、自旋的其余物理自由度，既可以间接用于编码新型量子比特，也能够经由过程其与自旋自由度之间的彼此作用完成对自旋态的调控。跟着研究的深切，人们发明正在双层石墨烯中施加一个垂直标的目的的电场，除了了可以发生一个巨细可调的能隙外，还会调治石墨烯能带边沿的三角扭曲（trigonal warping）布局，使能带正在每一个能谷相近进一步发生三个深度可调的能量极值点，称为迷你能谷（图1）。最新研究标明，这些电场可调的迷你能谷可以影响双层石墨烯器件的输运性子，但它们与自旋等其余物理自由度之间的彼此作用尚未获得深切研究。

图1. 双层石墨烯中电子的自旋（spin）、能谷（valley）、迷你能谷（minivalley）自由度示用意。

　　研究团队制备了基于双层石墨烯的栅控量子点器件（图2a），可将电子逐个填充进直径约50 nm的束厄局促势场中。如许低的器件载流子浓度使费米面患上以靠近带边的迷你能谷，为研究迷你能谷与其余自由度间的彼此作用供给了抱负平台。经由过程标订单电子能级正在外磁场中的塞曼劈裂（图2b），研究团队划分正在小电场以及年夜电场下，完成了对量子点中前12个电子的自旋及能谷填充挨次的辨别。试验成果标明，正在小电场下，前12个电子被填充进了两个壳层中，此中第一壳层会依次填充进两个自旋向上以及两个自旋向下的电子，且持续填充的两个电子来自没有同能谷，造成“2+2”的壳层布局。而正在年夜电场下，一切12个电子均被填充进了第一壳层。只管能谷配对填充的特性不转变，但自旋的填充挨次被显著调制了：第一壳层依次填充进了6个自旋向上以及6个自旋向下的电子，造成“6+6”的壳层布局（图2c）。

　　图2. (a)双层石墨烯栅控量子点器件布局示用意；(b)因为自旋塞曼效应，单电子隧穿峰随面内磁场发生挪动；(c)哄骗垂直电场调治迷你能谷自由度，完成对自旋填充挨次的电学调控。

　　凭据泡利没有相容道理，两个状况不异的电子不克不及占领统一轨道。年夜电场下，前6个填充电子的自旋不异，能谷两两配对，这阐明系统中幸免存正在分外的三重简并自由度。团队颠末实践计较，指出动量空间中的三重迷你能谷，跟着电场强度的增长而逐渐加深且相互别离，直至此中的电子波函数没有产生交叠，从而造成了新的物理自由度。这一成果标明，双层石墨烯中的迷你能谷，可作为自力于自旋以及能谷的量子自由度。更重要的是，哄骗其与自旋自由度之间的彼此作用，可以或许电学调控自旋的填充挨次，完成总自旋为3的高自旋态的制备。这一三重简并的自由度，无望用于对SU(3)对称性的量子摹拟。

　　中国迷信院量子信息重点试验室博士生秦国铨为论文第一作者，物理学院郭国平传授、姑苏高档研究院宋骧骧特任研究员为论文配合通信作者。该事情获得了国度天然迷信基金委、江苏省的赞助。

　　文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.036301