中國科大郭光燦院士團隊孫方穩課題組和國家同步輻射實驗室/核科學技術學院鄒崇文課題組合作，通過對二氧化釩(VO2)薄膜局域絕緣態-金屬態相變的光學調控，實現形狀可任意重構的微納米電流通路，并展示其在固態自旋量子操控的應用。該成果8月29日以“Reconfigurable photothermal doping filament for selective spin manipulation and addressing”為題發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)上。
對微納米尺度電流的操控和探測是實現信息和能量傳輸的重要手段，是當前集成電子學和信息科學的核心技術，并在量子科學等前沿基礎領域被廣泛研究和應用。隨著信息處理需求的增加，基于傳統半導體工藝的微納電子器件越來越復雜，功耗越來越大。可重構電子器件為發展下一代信息技術提供一種新方案，與傳統單一功能電子器件不同，其能夠根據任務需求動態改變自身功能特性，具備在不增加集成電子器件數量和結構復雜度的情況下實現更多功能的潛力。
孫方穩課題組和鄒崇文課題組長期開展跨學科合作，在可重構量子器件研制和量子傳感應用方面開展了研究。利用二氧化釩強關聯氧化物材料制備類腦神經元結構，并基于金剛石色心自旋傳感實現對二氧化釩人工神經元器件的量子成像(Sci.Adv.9, eadg9376(2023))。
圖1 光控電流通路的寫入示意圖
在本工作中，研究人員提出了一種“光熱摻雜”技術(Photothermal doping)，通過掃描聚焦光束，并利用其光熱效應觸發二氧化釩薄膜瞬態絕緣體-金屬相變，形成局域“光熱摻雜”微區(類似半導體離子注入摻雜)，從而在微米尺度實現任意形狀電流通路的可重構寫入。該方法將光場調控信息映射到電流通路的空間分布，顯示出靈活的電流位置、方向、寬度等參數實時調控能力，實現如“S”形狀的任意彎曲電流制備。研究人員將該可重構電路器件用于直流、微波信號的傳輸，通過電流產生局域電磁信號對金剛石色心自旋量子體系的泵浦，實現拉比振蕩、冉塞條紋等量子態相干操控。研究人員進一步通過對電流形狀的任意調控，結合電流產生的磁場梯度，實現對不同空間位置固態自旋陣列的選擇性操控，展示了空間尋址的能力。
基于光控電流的可重構電子器件極大提升了對微納尺度電流控制的靈活性。后續，研究人員將進一步提高光場調控能力，提升可重構電流通路的操控可靠性和電流導通能力，實現芯片尺度的可任意重構電流。利用光控電路的現場重復編輯能力，實現多功能、高靈活性、高效率的集成芯片，在人工智能、新一代信息技術等領域發揮重要作用，為實現可擴展的量子操控和探測器件提供支撐。
圖2 利用可重構光控電流實現對金剛石色心陣列的選擇性微波操控
本文第一作者為量子網絡安徽省重點實驗室博士生劉志威，通訊作者為陳向東副研究員、鄒崇文研究員和孫方穩教授。該工作得到了科技創新2030重大項目、中國科學與穩定支持基礎研究領域青年團隊項目、國家自然科學基金、安徽省重點研發計劃等項目的支持。
