文/Thibault Chervy，NTT Research

圖1：電控制促進(jìn)量子點(diǎn)的擴(kuò)展應(yīng)用。

量子點(diǎn)是一種具有獨(dú)特性質(zhì)的納米級(jí)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，因其在多領(lǐng)域應(yīng)用的潛力而備受矚目。量子點(diǎn)還可用于捕獲激子，即材料吸收光子時(shí)形成的束縛電子-空穴對(duì)。對(duì)光學(xué)活性量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電控制的新方法，克服了在可擴(kuò)展性和精度方面的傳統(tǒng)限制，促進(jìn)了激子和量子點(diǎn)在光子量子計(jì)算等未來(lái)尖端領(lǐng)域中的應(yīng)用。

人們對(duì)激子的興趣與其內(nèi)在特性有關(guān)。與光子不同，激子壽命極短，其帶有電荷，但整體呈電中性。激子是電子學(xué)與光子學(xué)之間連接的橋梁。激子的電子-空穴對(duì)通過(guò)輻射復(fù)合（如發(fā)射光子）或非輻射復(fù)合（如聲子發(fā)射）消失。在激子復(fù)合之前的幾皮秒的時(shí)間內(nèi)，可以通過(guò)施加電場(chǎng)對(duì)激子進(jìn)行操控。

由 NTT Research、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家組成的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種新技術(shù)，該技術(shù)不僅可以電約束激子，而且還可以通過(guò)量子點(diǎn)陣列和其他幾何形狀來(lái)測(cè)量和擴(kuò)展激子。

實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果

這種新技術(shù)不僅可以決定在哪里捕獲激子，而且還可以決定激子在什么能量下被捕獲。電控制對(duì)激子的可擴(kuò)展性至關(guān)重要。該技術(shù)能在一個(gè)微小的連接點(diǎn)處保持一個(gè)電壓，在結(jié)構(gòu)上與控制數(shù)十億晶體管柵極電壓的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）類似。

實(shí)驗(yàn)采用一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件，該器件的中間層為二維半導(dǎo)體薄片（厚度為 0.7nm或三個(gè)原子的厚度），其夾在底柵極電極和頂柵極層之間，頂柵極層上刻有納米孔和蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)激子約束（見(jiàn)圖 1）。為了避免熱波動(dòng)，這些器件在一個(gè)具有光學(xué)通道、封閉循環(huán)的干式低溫恒溫器中冷卻到 5K（-450°F）。

這種激子納米級(jí)電控方法，最重要的優(yōu)勢(shì)是可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)和其他捕獲方法可以被視為更大系統(tǒng)的基石。獲得具有相同能量的多個(gè)量子點(diǎn)，對(duì)光子量子信息處理和量子通信等應(yīng)用至關(guān)重要。

現(xiàn)有的材料調(diào)制方法受到材料無(wú)序和工藝變化的限制，因此將多個(gè)激子保持在相同的能級(jí)，一直是極具挑戰(zhàn)。此外，較高的成本也是一個(gè)限制條件。例如，讓兩個(gè)受限激子達(dá)到相同能級(jí)可以通過(guò)復(fù)制實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，也就是在兩個(gè)不同的裝置中制作兩個(gè)樣品。但考慮到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備成本，這種方法很難實(shí)現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)陣列，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)都有獨(dú)立的控制。如圖 2 所示，3個(gè)蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)平行排列，間距為 1mm，而每個(gè)蝴蝶結(jié)左右兩個(gè)結(jié)構(gòu)間隙為 50nm。將左側(cè)電極（BT0）短路，對(duì)右側(cè)每個(gè)電極（BT1、BT2、BT3）獨(dú)立控制。這樣，就可以將每個(gè)量子點(diǎn)的控制柵極數(shù)量減少到1個(gè)，從而在不影響控制的情況下提高可擴(kuò)展性。

圖 2：具有獨(dú)立控制功能的蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)陣列。

研究團(tuán)隊(duì)展示了量子點(diǎn)的能量與單個(gè)柵極電壓（VBT1、VBT2 和 VBT3）的函數(shù)關(guān)系，其中共用的柵極電壓（VBT0）保持不變（見(jiàn)圖3）。二維激子的能量用藍(lán)點(diǎn)表示。可以看出，三個(gè)獨(dú)立的柵極隨電壓的變化各不相同，這可能是由于材料的無(wú)序性和納米級(jí)制造的不確定性造成的。但是，通過(guò)施加合適的電壓，可以同時(shí)將三個(gè)量子點(diǎn)調(diào)諧到簡(jiǎn)并狀態(tài)，如圖3右側(cè)的光譜圖所示，分別將柵極BT1、BT2 和 BT3的電壓調(diào)至-11.2V、-4.6V和-3.5V，三個(gè)量子點(diǎn)的能量達(dá)到一致。

圖 3：量子點(diǎn)的能量與單個(gè)柵極電壓（VBT1、VBT2 和 VBT3）的函數(shù)關(guān)系，其中共用的柵極電壓（VBT0）保持不變。

基礎(chǔ)物理與應(yīng)用

將位置控制、光刻制備量子點(diǎn)與量子點(diǎn)能量的可調(diào)諧性相結(jié)合，形成可擴(kuò)展的量子點(diǎn)陣列，是這種新方法的主要成果。其主要優(yōu)勢(shì)是可以擴(kuò)展到任何二維半導(dǎo)體，并且制造技術(shù)的進(jìn)步將使捕獲的長(zhǎng)度尺度更小，空間控制能力更強(qiáng)。

光學(xué)計(jì)算是一種潛在應(yīng)用，需要光子之間產(chǎn)生相互作用，這就類似于晶體管對(duì)電子的控制，可以阻隔電子或允許電子流動(dòng)。這項(xiàng)研究需要解決的問(wèn)題是：在光學(xué)領(lǐng)域，量子點(diǎn)的應(yīng)用可以推進(jìn)到什么程度？以及對(duì)其他光子實(shí)現(xiàn)控制的最小光子數(shù)是多少？

這項(xiàng)研究結(jié)果不僅促進(jìn)了量子點(diǎn)的應(yīng)用，也為基礎(chǔ)物理學(xué)開(kāi)辟了新方向。這種多用途技術(shù)可以用電來(lái)操控量子點(diǎn)，從而在納米尺度上對(duì)半導(dǎo)體特性進(jìn)行前所未有的控制。研究團(tuán)隊(duì)的下一步目標(biāo)是深入研究這些量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)出的光的性質(zhì)，并找到將其集成到尖端光子學(xué)架構(gòu)中的方法。