文/Thibault Chervy，NTT Research

图1：电控制促进量子点的扩展应用。

量子点是一种具有独特性质的纳米级半导体结构，因其在多领域应用的潜力而备受瞩目。量子点还可用于捕获激子，即材料吸收光子时形成的束缚电子-空穴对。对光学活性量子点实现电控制的新方法，克服了在可扩展性和精度方面的传统限制，促进了激子和量子点在光子量子计算等未来尖端领域中的应用。

人们对激子的兴趣与其内在特性有关。与光子不同，激子寿命极短，其带有电荷，但整体呈电中性。激子是电子学与光子学之间连接的桥梁。激子的电子-空穴对通过辐射复合（如发射光子）或非辐射复合（如声子发射）消失。在激子复合之前的几皮秒的时间内，可以通过施加电场对激子进行操控。

由 NTT Research、苏黎世联邦理工学院（ETH）和斯坦福大学的科学家组成的一个研究团队，提出了一种新技术，该技术不仅可以电约束激子，而且还可以通过量子点阵列和其他几何形状来测量和扩展激子。

实验装置与结果

这种新技术不仅可以决定在哪里捕获激子，而且还可以决定激子在什么能量下被捕获。电控制对激子的可扩展性至关重要。该技术能在一个微小的连接点处保持一个电压，在结构上与控制数十亿晶体管栅极电压的互补金属氧化物半导体（CMOS）类似。

实验采用一种异质结构器件，该器件的中间层为二维半导体薄片（厚度为 0.7nm或三个原子的厚度），其夹在底栅极电极和顶栅极层之间，顶栅极层上刻有纳米孔和蝴蝶结结构，以实现激子约束（见图 1）。为了避免热波动，这些器件在一个具有光学通道、封闭循环的干式低温恒温器中冷却到 5K（-450°F）。

这种激子纳米级电控方法，最重要的优势是可以扩展到更复杂的结构。量子点和其他捕获方法可以被视为更大系统的基石。获得具有相同能量的多个量子点，对光子量子信息处理和量子通信等应用至关重要。

现有的材料调制方法受到材料无序和工艺变化的限制，因此将多个激子保持在相同的能级，一直是极具挑战。此外，较高的成本也是一个限制条件。例如，让两个受限激子达到相同能级可以通过复制实验实现，也就是在两个不同的装置中制作两个样品。但考虑到实验室设备成本，这种方法很难实现规模化应用。

为了解决这个问题，研究团队制作了一个蝴蝶结结构阵列，每个单元结构都有独立的控制。如图 2 所示，3个蝴蝶结结构平行排列，间距为 1mm，而每个蝴蝶结左右两个结构间隙为 50nm。将左侧电极（BT0）短路，对右侧每个电极（BT1、BT2、BT3）独立控制。这样，就可以将每个量子点的控制栅极数量减少到1个，从而在不影响控制的情况下提高可扩展性。

图 2：具有独立控制功能的蝴蝶结结构阵列。

研究团队展示了量子点的能量与单个栅极电压（VBT1、VBT2 和 VBT3）的函数关系，其中共用的栅极电压（VBT0）保持不变（见图3）。二维激子的能量用蓝点表示。可以看出，三个独立的栅极随电压的变化各不相同，这可能是由于材料的无序性和纳米级制造的不确定性造成的。但是，通过施加合适的电压，可以同时将三个量子点调谐到简并状态，如图3右侧的光谱图所示，分别将栅极BT1、BT2 和 BT3的电压调至-11.2V、-4.6V和-3.5V，三个量子点的能量达到一致。

图 3：量子点的能量与单个栅极电压（VBT1、VBT2 和 VBT3）的函数关系，其中共用的栅极电压（VBT0）保持不变。

基础物理与应用

将位置控制、光刻制备量子点与量子点能量的可调谐性相结合，形成可扩展的量子点阵列，是这种新方法的主要成果。其主要优势是可以扩展到任何二维半导体，并且制造技术的进步将使捕获的长度尺度更小，空间控制能力更强。

光学计算是一种潜在应用，需要光子之间产生相互作用，这就类似于晶体管对电子的控制，可以阻隔电子或允许电子流动。这项研究需要解决的问题是：在光学领域，量子点的应用可以推进到什么程度？以及对其他光子实现控制的最小光子数是多少？

这项研究结果不仅促进了量子点的应用，也为基础物理学开辟了新方向。这种多用途技术可以用电来操控量子点，从而在纳米尺度上对半导体特性进行前所未有的控制。研究团队的下一步目标是深入研究这些量子点结构发出的光的性质，并找到将其集成到尖端光子学架构中的方法。