研究背景
量子点（Quantum Dots, QDs）是电气量子电路的关键构建块，广泛应用于量子计算、量子通信、传感器等领域。传统的半导体量子比特主要依赖于电荷或自旋自由度来编码量子信息。然而，随着对量子信息存储和处理要求的提高，研究者们开始关注其他物理自由度，尤其是由晶体格点对称性引发的谷自由度。谷自由度作为一种稳健的量子数，可以作为一种新的量子比特实现方式，尤其在双层石墨烯（BLG）中展现出独特的优势。
与传统的自旋量子比特相比，谷量子比特的弛豫和去相干过程尚未得到充分探索，而双层石墨烯由于其特殊的电子结构，为研究谷自由度提供了理想平台。在BLG中，载流子的角动量不仅由自旋决定，还受到谷自由度的影响。谷自由度的强谷阻塞效应可以导致比自旋量子比特更长的弛豫时间，使其成为量子计算中潜在的优越候选材料。
然而，BLG量子点中的激发态谱在低磁场下仍未得到解决，且谷间混合的能量尺度尚未得到精确界定，这一问题限制了谷量子比特的应用和研究进展。
研究内容
为了解决这一难题，苏黎世联邦理工学院Hadrien Duprez等人在双层石墨烯量子点领域取得了重要进展。该团队通过精确测量了单载流子BLG量子点在低垂直磁场下的激发态谱，成功填补了这一空白。他们采用了一种前所未有的4 μeV能量分辨率的时间分辨电荷检测技术，使得能够解析低磁场下的量子态，并解决了之前因能量分辨率不足或隧穿速率过高而无法测量谷激发态的难题。
通过这一技术，研究人员不仅验证了理论预测的能谱，还为谷间混合的上限提供了一个新的能量尺度，达到了4 μeV，相比此前的研究提高了五倍。此外，研究团队成功调控量子点的隧穿速率至12.2 Hz，打破了以往需要垂直磁场才能达到亚kHz隧穿速率的限制。这一突破为未来实现低磁场下的谷量子比特应用奠定了基础。
结合STEM和EELS技术，对GaN中的PSF进行了详细的振动模式研究。通过实验和从头计算的结合，他们首次发现了三种不同的声子模式：局域缺陷模式（LDM）、受限体模式（CBM）和完全扩展模式（FEM）。LDM主要由PSF中心的原子振动产生，CBM存在于缺陷两侧的原子上，但不直接受到缺陷原子振动的影响，而FEM则是分布在整个系统中的去局域化模式。此外，研究结果表明，PSF中声子能量间隙较小，声学声速降低，这可能导致缺陷区域热阻的增加，从而对材料的热传导产生负面影响。
图文解读
本文通过高能谱测量和时间分辨电荷检测技术揭示了单载流子双层石墨烯量子点的电子态结构及其在外部磁场下的行为。通过使用先进的电子温度表征方法和数字化电流分析，本文精确测量了量子点中态的简并性，并揭示了双层石墨烯量子点中激发态和基态之间的相互作用。该研究不仅拓展了作者对双层石墨烯量子点电子态的理解，而且为后续量子态控制和调节提供了实验依据，推动了量子信息领域的技术进步。
本文针对双层石墨烯量子点在低磁场下的物理现象，采用了电子温度和过渡中心波动的微观机理表征。通过拟合电流分布并结合Fermi分布函数，研究团队获得了量子点的有效电子温度Te及其波动性，发现电子温度的波动范围主要集中在30 mK附近。这一发现表明，量子点系统在外界电荷噪声和杂散影响下会产生显著的温度波动，而这些波动对于量子点态的稳定性和控制具有重要影响。此外，研究者还通过分析电压过渡中心的变化，进一步揭示了量子点能级结构中的异质性，并发现其受到附近环境的电荷噪声和电化学势变化的影响。
在此基础上，利用精确的时间分辨方法，研究团队对双层石墨烯量子点的态寿命进行了深入的分析。通过数字化电流信号并对其进行逐点扫描，结合双阈值法，研究人员成功提取了量子点不同态的寿命数据，揭示了量子点在不同激发态之间的转换速率及其依赖于外部磁场的变化规律。这一工作为理解量子点的自旋和谷自由度之间的相互作用提供了新的实验视角，并为未来量子计算和量子信息存储的相关技术打下了基础。
图 1 | 双层石墨烯量子点中的时间分辨电荷检测与隧穿光谱学
图 2 | 平面磁场下的隧道速率谱。
图 3 | 非平面磁场下的隧道速率谱。
图 4 | 平均探测器电流的结果直方图（拟合结果）。
结论展望
本文测量了单载流子双层石墨烯量子点的能谱，并实现了4 μeV的能量分辨率。通过使用时间分辨电荷检测技术，作者能够直接获取系统中态的数量，因此也能够确定它们的简并性。这使得作者能够解析单载流子量子点的四个态（基态和激发态），并研究它们在垂直和水平磁场下的行为。在技术方面，作者展示了即使在没有磁场的情况下，双层石墨烯量子点的隧穿速率可以降低到12 Hz，创下了前所未有的低值。最后，作者的测量方案为在接近零磁场下测量不同自旋和/或谷自由度的激发态寿命开辟了新途径。
该工作发表在Nature Communications上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54121-4
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