石墨烯量子点中近乎完美的粒子空穴对称性

亚琛工业大学和尤利希研究中心的研究人员发现了双层石墨烯中双量子点的重要特征，这是一种越来越有前途的材料，可用于量子技术。该团队已经证明了石墨烯量子点中近乎完美的粒子空穴对称性，这可能导致更有效的量子信息处理。该研究已发表在《自然》杂志上。

艺术家对双层石墨烯的印象，其中包含对称的电子 – 空穴双量子点，其中电子和空穴位于不同的层上。图片来源：塞巴斯蒂安·斯塔克斯

双量子点已在砷化镓、硅或硅锗等标准半导体平台中得到广泛研究，因为它们为编码量子信息提供了方便的固态平台。亚琛工业大学的2D材料和量子器件小组现在已经证明，双层石墨烯中的双量子点比其他材料提供更多：它们允许实现具有近乎完美的粒子空穴对称性的系统，其中传输通过产生和湮灭具有相反量子数的单个电子 – 空穴对发生。这导致了强大的选择规则，可用于自旋和谷量子比特的高保真读出方案。

反粒子-也称为空穴

1931年，英国物理学家保罗·狄拉克发表了一篇论文，预言了“反电子”的存在。这种反粒子将具有与电子相同的质量，但电荷和自旋相反，并且粒子 – 反粒子对将在相互作用时湮灭。反电子的存在 – 最终被命名为正电子 – 在一年后被实验证明。这是反粒子的第一次出现。

反粒子的概念在凝聚态物理学中起着核心作用，其中反粒子通常被称为空穴。例如，粒子态和空穴态之间对称性的存在（或不存在）对于表征凝聚态系统中的拓扑相非常重要。然而，粒子空穴对称性很少出现在半导体中。一个明显的例外是低能量极限的间隙双层石墨烯。

电子和空穴的量子点

“双层石墨烯是一种非常独特的半导体，”亚琛工业大学实验物理学教授，该论文的通讯作者Christoph Stampfer解释说。“它与单层石墨烯具有多种特性，例如低自旋轨道耦合和完全电子 – 空穴对称的低能量光谱。这使得量子技术非常有趣。此外，它还具有带隙，可以通过外部电场从零调谐到约120毫电子伏特。

带隙允许使用与硅中使用的非常相似的栅极几何形状在双层石墨烯中创建量子点。然而，由于间隙尺寸小，这些量子点可以是双极性的，这意味着它们可以捕获电子和空穴，具体取决于施加在栅极上的电压。利用这一特性和在双层石墨烯器件中实现的精细静电控制水平，Stampfer 及其同事创造了电子-空穴双量子点，其中每个点最多容纳一个电子或一个空穴。在这样的系统中，只有当具有相反量子数的电子空穴对可以连续产生或湮灭时，才会发生电传输。

对称性几乎完美保留

这个事实有两个显着的后果。首先，通过仔细分析通过系统的电流，作者能够首次通过实验证明双层石墨烯中电子和空穴态之间的对称性。他们表明，即使电子和空穴在物理上被分离到不同的量子点中，对称性也几乎完美保留。其次，他们揭示了这种对称性会在通过系统的传输中产生强大而稳健的封锁机制，这可以为自旋和谷量子位提供可靠的读出方案。

“这超出了传统半导体或任何其他二维电子系统所能做到的，”亚琛工业大学JARA量子信息研究所的Fabian Hassler教授说，他是该论文的合著者。“我们在工作中观察到的近乎完美的对称性以及这种对称性产生的强选择规则不仅对量子比特操作非常有吸引力，而且对于实现单粒子太赫兹探测器也非常有吸引力。此外，将双层石墨烯量子点与超导体耦合将是有趣的 – 电子 – 空穴对称性起着重要作用的两个系统。可以利用这些混合设备来创建纠缠粒子对或工程拓扑系统的高效源，从而使我们在实现拓扑量子计算设备方面更进一步。

该研究已发表在《自然》杂志上。支持研究结果的数据和分析所使用的代码可在Zenodo存储库中找到。该研究的资金支持由欧盟的Horizon 2020研究和创新计划(石墨烯旗舰项目)和欧洲研究理事会(ERC)以及德国研究联合会(DFG)在量子计算卓越集群Matter of Light(ML4Q)中提供。