量子点是纳米级半导体结构，具有独特的特性，长期以来一直因其在各种应用中的潜力而受到赞誉。它们还可用于捕获激子，激子是材料吸收光子时形成的束缚电子-空穴对。一种实现光学活性量子点电控制的新方法克服了对可扩展性和精度的传统限制，增强了激子和量子点在未来尖端应用（如光子量子计算）中的使用前景。
对激子的兴趣与其内在品质有关。与光子不同，这些短寿命的准粒子具有电荷，这使它们成为电子学和光子学之间有吸引力的界面。在重新发光之前的几皮秒内，激子可以以独特的方式纵，例如，通过施加电场。
由我和ETH教授Puneet Murthy共同领导的来自NTT Research，瑞士联邦理工学院（ETH）苏黎世和斯坦福大学的科学家团队介绍了一种方法，不仅可以电限制激子，还可以通过量子点阵列和其他几何形状来测量和放大激子。
结果和实验设置
我们证明，你可以决定在哪里捕获激子，也可以决定它将被捕获在什么能量下。电气控制对可扩展性至关重要。该技术在微小结上保持明确定义的电压电位，其方式在架构上与控制数十亿个晶体管栅极电压的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术没有区别。
这些实验中的受控相互作用发生在异质结构器件上，异质结构器件由中间的 2D 半导体薄片（0.7 nm 或三个原子厚）组成，夹在全局底部栅极电极和顶部栅极层之间，其中纳米孔和蝴蝶结被蚀刻以定义激子约束（见图 1）。为了避免热波动，这些设备在具有光学访问的闭式循环干式低温恒温器中冷却至 5 开尔文 （-450°F）。
我们的激子电纳米级控制方法最重要的优点是有可能扩展到更复杂的结构。我们的量子点和其他捕获方法可以被视为更大系统的构建块。一个重要的动机是实现具有相同能量的多个量子点，这是光子量子信息处理和量子通信等应用的关键要素。
保持相同的能级一直是一个障碍，因为现有的材料调制方法受到材料无序和工艺变化的严重限制。成本也起着一定的作用。例如，将两个受限激子带到同一水平的一种方法是复制实验。换言之，两个样本在两种不同的设置中。然而，考虑到实验室设备成本，这种方法几乎不利于扩大规模。
我们通过制造一系列具有独立控制的领结来解决这个问题。图 2 显示了三个间隙尺寸为 50 nm、间隔为 1 μm 的领结。我们对三个 （BT0） 的左侧电极进行电短路，同时保持对每个右侧电极（BT1、BT2、BT3）的单独控制。这使我们能够将每个量子点的控制门数量减少到一个，从而在不影响控制的情况下增强了可扩展性。
我们的团队报告了量子点态的拟合能量作为单个栅极电压（VBT1、VBT2 和 VBT3）的函数，同时保持公共对电极 （VBT0） 恒定（见图 3）。2D激子的能量用蓝点显示。三个领结对电压表现出不同的依赖性，这可能是由于材料无序和纳米级制造不确定性导致的变化。但是这三个点可以通过在领结上施加合适的电压来同时调谐到简并。这在图3所示的光谱中很明显，该光谱显示了三个量子点态在能量上共振调谐。
基础物理与应用
将位置控制、光刻定义的量子点与同时和独立的能量可调性相结合的能力是我们方法的一个主要结果。一个关键的优势是它可以扩展到任何二维半导体，制造技术的改进将实现更小的捕获长度尺度和更好的空间控制。
光学计算是一种潜在的应用，它需要光子之间的相互作用，这类似于晶体管阻挡电子或允许它们流动时发生的情况。我们解决的问题是：我们可以在光学领域将其推向多远？我们需要控制其他光子的最小光子数是多少？
我们的研究结果不仅为未来可能的应用，而且为基础物理学揭示了几个新的方向。这种多功能技术可以电定义量子点，从而在纳米尺度上对半导体特性进行前所未有的控制。下一步是更深入地研究这些结构发出的光的性质，并找到将它们集成到尖端光子学架构中的方法。
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