来源 | 北京大学
固体材料中的自旋-轨道相互作用使得电子的自旋与其轨道自由度耦合在一起，是实现自旋电子学器件和自旋-轨道量子比特器件中的自旋快速相干调控，以及构筑拓扑绝缘体和拓扑超导物态等的重要物理量。对量子结构中的自旋-轨道场的测定和应用是当今凝聚态物理领域的重要研究课题之一。
北京大学信息科学技术学院、固态量子器件北京市重点实验室徐洪起“千人计划”教授课题组与中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室赵建华研究员课题组合作，在基于半导体InAs纳米线多量子点量子计算器件的研究中取得了一系列重要进展。近日，利用砷化铟（InAs）纳米线，采取先进微纳加工工艺技术，制作具有高调控性的耦合双量子点量子器件，构建了稳定的双量子点器件二电子泡利自旋阻塞态，并通过对器件中二电子自旋单态和自旋三态向其一个量子点中二电子自旋单态演化的物理过程进行精密电学测量，测定器件中核自旋和自旋-轨道耦合对电子自旋弛豫的影响，确定了自旋-轨道耦合场的空间指向，揭示了Rashba和Dresselhaus耦合机制对自旋-轨道耦合场的贡献。该研究对于构筑和调控半导体自旋电子学器件、自旋-轨道量子比特器件和拓扑量子器件具有重要意义。
（左上）具有局域顶指栅调控的单晶纯相InAs纳米线双量子点器件结构及其二电子占据示意图；（右上）实际制作的器件扫描电镜照片，InAs纳米线双量子点的构建和调控是采用其中G3～G6四个顶指栅完成的；（下）实验测得的双量子点器件中二电子自旋泡利阻塞态建立时的微弱漏电流随外加小磁场在三个主平面旋转的变化曲线（蓝色圆点）和理论分析模拟曲线（红色曲线）
半导体InAs材料具有电子迁移率较高、电子有效质量较小，朗德g因子较大和自旋-轨道耦合强度较强的优势。联合课题组采用先进局域顶指栅阵列技术，在单根单晶纯相InAs纳米线上构造出串联耦合双量子点结构，其中限制量子点的局域势垒、量子点中的电子数目、量子点之间的隧穿耦合强度均可被高效调控。这项工作以精细栅调控技术建立起每个量子点各占据一个电子的二电子泡利自旋阻塞态，并通过测量阻塞区微弱漏电流在不同方向外加磁场下的电子输运，确定器件中的各向同性核自旋场大小与自旋-轨道耦合场的方向。相关研究成果以《砷化铟纳米线双量子点中的各向异性泡利自旋阻塞效应和自旋轨道互作用场》（“Anisotropic Pauli spin-blockade effect and spin−orbit interaction field in an InAs nanowire double quantum dot”）为题，于2018年7月发表于《纳米快报》（Nano Letters; DOI：10.1021/acs.nanolett.8b01153）；信息学院博士研究生王积银为第一作者，徐洪起教授、黄少云副教授与赵建华研究员为共同通讯作者。
上述研究工作得到国家重点研发计划、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金的支持。
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