量子霍尔反点中单个激子的局域化与量子相干调控

《Nature Communications》：Localizing individual exciton on a quantum Hall antidot

本刊编辑推荐：传统激子研究多集中于体相系统，限制了其在量子器件中的应用。为解决单个激子的局域化与电调控难题，研究团队基于量子霍尔反点结构，利用空间分离的边缘通道，首次实现了单个量子霍尔准粒子激子的定位与量子相干操控。该工作通过门电压调控反点电导峰在电子-空穴共振附近的量子相干动力学，揭示了真空态与电子-空穴配对态的量子叠加，为多准粒子量子系统的构建开辟了新途径。

　　

在固态量子器件的发展历程中，量子霍尔系统始终占据着特殊地位。它不仅提供了整数和分数电荷的准粒子，还孕育了具有非阿贝尔统计特性的任意子，以及双层量子霍尔系统中的激子凝聚态。然而，尽管这些宏观量子现象令人神往，如何在微观尺度上实现对单个量子准粒子的精确操控，一直是该领域的核心挑战。传统激子研究多集中于体相系统或量子点结构，难以兼顾局域化与量子相干性。量子霍尔反点作为一种独特的纳米结构，通过静电势约束边缘态形成闭合轨道，为单个准粒子的囚禁提供了理想平台，但其在激子研究方面的潜力尚未被充分挖掘。

近日，Stony Brook大学的Rui Pu等人在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，他们利用石墨烯量子霍尔反点结构，首次实现了单个量子霍尔激子的局域化与电调控。这项工作的创新之处在于将激子的概念引入量子霍尔边缘态系统，通过耦合电子和空穴边缘通道，构建出具有量子相干特性的电子-空穴束缚态。

研究团队采用的关键技术方法主要包括：基于 hexagonal boron nitride (hBN) 封装石墨烯的异质结构制备技术，通过电子束光刻和反应离子刻蚀制备纳米级反点与耦合器图案；在300 mK低温环境下利用12 T超导磁体进行量子霍尔输运测量；通过双栅极（顶栅和背栅）独立调控反点区域与体区的载流子浓度；结合锁相放大技术测量反点电导随偏压和栅压的变化规律，构建电荷稳定图；建立双模式耦合理论模型，分析电子-空穴对的量子相干动力学。

器件设计与表征

研究采用的器件结构如图1c所示，由图案化的少层石墨烯顶栅、hBN介质层、单层石墨烯和背栅组成。通过精确控制顶栅上的反点（直径约180 nm）和耦合器的几何形状，在磁场下形成空间分离的电子和空穴边缘态。当内外区域填充因子不同时，反点边缘态能量发生量子化：ε_j = 2?v_QH/D_QH (j + Φ/Φ₀)，其中D_QH ≈ 230 nm为有效直径，Δε ≈ 0.7 meV为能级间距。

量子霍尔激子的观测

在填充因子(f, f') = (1, -1)配置下，反点电导峰出现明显的反交叉特征（图3b）。这些特征源于电子和空穴边缘态能级在栅压调控下的交叉共振，以及其间由隧道耦合（Δ ≈ 0.3 meV）和库仑吸引（u ≈ 0.8 meV）共同作用形成的量子相干态。当ξ = δ_h - δ_e - u = 0时，系统基态变为|00?（真空态）和|11?（电子-空穴对态）的量子叠加态。

理论模型与定量分析

研究人员构建了双模式哈密顿量（公式3），描述四个电荷态（|00?, |11?, |01?, |10?）之间的耦合。隧道电导峰值位置满足双曲线关系（公式4），其振幅由叠加态的权重因子（公式5）决定。该模型成功复现了实验观测的反交叉现象，并揭示出激子束缚能不仅取决于库仑吸引能u，还与隧道耦合强度Δ密切相关。在ξ=0时，基态能量降低达到最大值Δ，显著增强了量子相干性。

这项研究首次在量子霍尔反点中实现了单个激子的局域化与量子相干操控，突破了传统体相激子系统的局限性。与常规半导体激子相比，量子霍尔激子具有可电调控的独特优势，其基态能量同时受库仑相互作用和模式间隧道耦合的协同调控。该工作为探索多反点系统中的激子分子、分数统计任意子激子等新物态奠定了基础，有望推动量子信息处理技术在固态平台上的发展。特别是将这一方案推广至分数量子霍尔体系，有望实现具有分数交换统计特性的任意子激子，为拓扑量子计算提供新的实现路径。