來源 | 北京大學
固體材料中的自旋-軌道相互作用使得電子的自旋與其軌道自由度耦合在一起，是實現自旋電子學器件和自旋-軌道量子比特器件中的自旋快速相干調控，以及構築拓撲絕緣體和拓撲超導物態等的重要物理量。對量子結構中的自旋-軌道場的測定和應用是當今凝聚態物理領域的重要研究課題之一。
北京大學信息科學技術學院、固態量子器件北京市重點實驗室徐洪起“千人計劃”教授課題組與中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室趙建華研究員課題組合作，在基於半導體InAs納米線多量子點量子計算器件的研究中取得了一系列重要進展。近日，利用砷化銦（InAs）納米線，採取先進微納加工工藝技術，製作具有高調控性的耦合雙量子點量子器件，構建了穩定的雙量子點器件二電子泡利自旋阻塞態，並通過對器件中二電子自旋單態和自旋三態向其一個量子點中二電子自旋單態演化的物理過程進行精密電學測量，測定器件中核自旋和自旋-軌道耦合對電子自旋弛豫的影響，確定了自旋-軌道耦合場的空間指向，揭示了Rashba和Dresselhaus耦合機制對自旋-軌道耦合場的貢獻。該研究對於構築和調控半導體自旋電子學器件、自旋-軌道量子比特器件和拓撲量子器件具有重要意義。
（左上）具有局域頂指柵調控的單晶純相InAs納米線雙量子點器件結構及其二電子佔據示意圖；（右上）實際製作的器件掃描電鏡照片，InAs納米線雙量子點的構建和調控是採用其中G3～G6四個頂指柵完成的；（下）實驗測得的雙量子點器件中二電子自旋泡利阻塞態建立時的微弱漏電流隨外加小磁場在三個主平面旋轉的變化曲線（藍色圓點）和理論分析模擬曲線（紅色曲線）
半導體InAs材料具有電子遷移率較高、電子有效質量較小，朗德g因子較大和自旋-軌道耦合強度較強的優勢。聯合課題組採用先進局域頂指柵陣列技術，在單根單晶純相InAs納米線上構造出串聯耦合雙量子點結構，其中限制量子點的局域勢壘、量子點中的電子數目、量子點之間的隧穿耦合強度均可被高效調控。這項工作以精細柵調控技術建立起每個量子點各佔據一個電子的二電子泡利自旋阻塞態，並通過測量阻塞區微弱漏電流在不同方向外加磁場下的電子輸運，確定器件中的各向同性核自旋場大小與自旋-軌道耦合場的方向。相關研究成果以《砷化銦納米線雙量子點中的各向異性泡利自旋阻塞效應和自旋軌道互作用場》（“Anisotropic Pauli spin-blockade effect and spin−orbit interaction field in an InAs nanowire double quantum dot”）為題，於2018年7月發表於《納米快報》（Nano Letters; DOI：10.1021/acs.nanolett.8b01153）；信息學院博士研究生王積銀為第一作者，徐洪起教授、黃少雲副教授與趙建華研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金的支持。
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