中国科学技术大学郭国平教授研究组与日本国立材料研究所等机构学者合作，于国际上首次在半导体柔性二维材料体系中实现了全电学调控的量子点器件，这种新型半导体量子晶体管为制备柔性量子芯片提供了新途径。国际权威学术期刊《科学》子刊《科学·进展》日前发表了该研究成果。

经过几十年的发展，半导体门控量子点作为一种量子晶体管已经成为制备量子芯片的热门候选体系之一。以石墨烯为代表的二维材料体系成为柔性电子学、量子电子学的重点研究对象，但由于其能带结构、界面缺陷杂质等因素，使得二维材料中的量子点无法实现有效的电学调控。

基于此，郭国平研究组近期与日本国立材料研究所、日本理化研究所学者合作，选择新型二维材料二硫化钼进行深入研究。该材料具有合适的带隙、较强的自旋轨道耦合 强度以及丰富的自旋-能谷相关的物理现象，因此在量子电子学，尤其是自旋电子学和能谷电子学中具有广阔的应用前景。经过大量的尝试，研究组利用微纳加工、 低温LED辐照等一系列现代半导体工艺手段，结合当前二维材料体系研究中广泛采用的氮化硼封装技术，有效减少了量子点结构中的杂质、缺陷等，首次在这类材料中实现了全电学可控的双量子点结构。在极低温下，通过电极电压，可以将一个尺寸约为128 nm的单量子点调制为两个尺寸约为68 nm的单点组成的双量子点系统，双量子点体系的点间电子隧穿可以通过电极电压单调的调控，即实现了人造原子到人造分子的电学可控调制。这种可控的单电子隧穿器件为在单电子层面研究该材料自旋和能谷自由度相关的物理现象提供了可能的平台。

利用这一平台，研究组观测到了器件电导随着外磁场增大而下降。这一被称作库伦阻塞反局域化的现象，揭示了在二硫化钼这种材料中短程缺陷和自旋轨道耦合对电学输运性质的影响，深入探索了应用于半导体量子芯片的可能性，在量子电子学中具有广阔应用前景。

文章链接：

Zhuo-Zhi Zhang, et al, "Electrotunable artificial molecules based on van der Waals heterostructures," Science Advances 20 Oct 2017:Vol. 3, no. 10, e1701699,DOI: 10.1126/sciadv.1701699

（本文来源：新华社，记者徐海涛）

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