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凝聚态物理 > 中尺度与纳米尺度物理

arXiv:2504.14925 (cond-mat)
[提交于 2025年4月21日 ]

标题: 扭曲三重层六方氮化硼中的变形量子点阵列

标题: Metamorphic quantum dot arrays in twisted trilayer hexagonal boron nitride

Authors:Kunihiro Yananose, Changwon Park, Young-Woo Son
摘要: 具有可调间距和相互作用的大规模受控量子态对于理解和设计用于量子信息处理的新颖量子材料至关重要。 这些成就主要局限于原子物理领域,例如中性原子或束缚离子的有序阵列。 在固态系统中,尤其是高度有序的量子点(QDs),也具有这些应用的重要潜力。 然而,它们的精确大规模制造和按需重构仍然是重要的挑战。 在这里,我们预测扭曲的三层六方氮化硼可以承载具有空间精度和对称性控制以及卓越动态重新定位能力的明确量子点阵列。 这些阵列在超小扭曲角度下自然形成,呈现出包括三角形、凯尔莫和六芒星排列在内的多种区域配置。 每个量子点内的量子态表现出与量子谐波振子波函数的高度保真度,只要莫尔-莫尔晶格有序,就可以实现均匀的量子点态。 独特的是,我们展示了这些阵列可以通过耦合到局部电极化率的外部电场进行动态重构,从而在强耦合和完全隔离的区域之间实现连续调节,并为长程量子信息传输提供了一条途径。 这种可调性和均匀性使我们的平台区别于传统实现,并表明在基于阵列的单光子源到可扩展量子处理器的量子应用方面具有巨大潜力,确立了扭曲范德华系统作为具有空间和能量控制的可编程量子架构的有前途的平台。
摘要: A large set of controlled quantum states with tunable spacing and interactions is crucial in understanding and engineering novel quantum materials for quantum information processing. Such achievements have been mostly confined to atomic physics, exemplified by ordered arrays of neutral atoms or trapped ions. In solid-state systems, well-ordered quantum dots (QDs), in particular, also have significant potential for these applications. However, their precise large-scale fabrication and on-demand reconfigurations remain important challenges. Here, we predict that twisted trilayer hexagonal boron nitride hosts well-defined QD arrays with spatial precision and symmetry control as well as exceptional dynamic repositioning. These arrays emerge naturally at ultrasmall twist angles, forming diverse domain configurations including triangular, kagome and hexagram arrangements. The quantum states within each dot exhibit high fidelity to quantum harmonic oscillator wavefunctions, realizing uniform dot states as long as the moire-of-moire lattice is well ordered. Uniquely, we demonstrate that these arrays can be dynamically reconfigured via external electric fields coupled to local electric polarizations, allowing continuous tuning between regimes of strong coupling and complete isolation, and offering a pathway to long-ranged quantum information shuttling. This tunability and uniformity distinguish our platform from conventional implementations and suggest substantial potential for quantum applications, from array-based single-photon sources to scalable quantum processors, establishing twisted van der Waals systems as a promising platform for programmable quantum architectures with spatial and energetic control.
评论: 14页,4张图,附加扩展材料
主题: 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
引用方式: arXiv:2504.14925 [cond-mat.mes-hall]
  (或者 arXiv:2504.14925v1 [cond-mat.mes-hall] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.14925
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Young-Woo Son [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 4 月 21 日 07:47:17 UTC (9,952 KB)
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