半導體中的孤立缺陷在帶隙中形成易于探測和操控的缺陷態。在單缺陷態中對多重量子態的操控，可以用來實現量子計算或者存儲的最小量子比特。另外，如果對單原子的孤立能隙態進行操控，還有可能獲得非傳統的量子光源，在量子密鑰分發、量子中繼和量子傳感等方面具有潛在的應用。孤立缺陷具有電荷和自旋兩種可被操控的自由度，以往的研究主要專注于對自旋量子態的操控，但是對自旋量子態的操控需要用到磁場等外場，難以實現未來量子芯片的小型化。因此，對電荷的操控引起了大家廣泛的興趣。目前傳統的方法是用微納加工技術在半導體表面制作出量子阱，利用電場對阱中的電荷數目進行操控。然而，電荷態操控的最終物理極限是能夠在單原子尺寸的孤立缺陷上實現對電子數目的精准操控，如果能夠實現，可以將基于電荷的量子比特推到單原子尺度。
從物理原理出發，由于庫侖相互作用的存在，在單個原子尺度上注入電荷需要克服充電能，這就需要半導體具有寬能隙，使充電能隨電荷數目的增加按平方律上升，很快超過帶隙，因此半導體中單個缺陷通常只能實現一個或兩個電荷的操控。但是，可以轉換另一個思路，通過材料設計，降低孤立缺陷電子態的局域性，從而降低充電能來實現多重電荷態的操控。然而，寬帶隙和非局域電子態兩者本身就很難調和，前者要求材料具有局域的電子態特征來形成大的帶隙。
針對這一矛盾，最近中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理實驗室陳岚研究員和吳克輝研究員帶領研究生苟健、王旭光等與清華大學徐勇教授、段文晖院士團隊合作，利用新型表面二維類金屬半導體材料解決了這一難題。他們的研究發現，如果使用電負性非常相近的兩種金屬元素構建出具有飽和價電子的二維材料，那麽由于兩種元素的價電子被飽和，材料具有較大的帶隙，同時電負性的極性相近，材料中的缺陷態很容易實現非局域化。他們以生長在Si(111) 表面上的二維類金屬半導體SnBi爲平台（Phys. Rev. Lett. 121, 126801 (2018)），深入研究了其中單個Bi空位缺陷的電子態特征，並利用掃描隧道顯微鏡（STM）的針尖施加頂柵電場，成功在Bi空位缺陷上實現了多達五重電荷態的操控。
STM針尖所施加頂柵電場可以引起表面的能帶彎曲。電場的大小與針尖偏壓以及針尖樣品間距相關。隨著針尖靠近Bi空位缺陷，較小的柵壓就可以實現對孤立缺陷態的充電，充電峰對應的電勢（絕對值）逐漸降低。當針尖開始遠離空位缺陷時，越來越大的柵壓才能在缺陷位置實現相同大小的充電電場，從而對應充電峰的電勢位置（絕對值大小）又重新變強。整個過程表現出一套類抛物線形的充電峰圖樣。根據這一原理，對應每一個充電峰的能量也可以很好地用泊松方程求解和提取，所得的充電能隨電荷數近似線性變化，能量僅有100 meV。理論計算給出了Bi空位缺陷電子態具有很強的非局域性，模擬的充電能大小和行爲完美契合實驗，闡明了多重電荷態能存在于同一能隙中的物理本質。這一利用非局域化電子態來降低多重電荷充電能的設計非常巧妙地與傳統量子阱的工作機制不謀而合。
這一系列性工作不僅在二維類金屬半導體SnBi中的Bi空位上實現了五重電荷態，其所揭示的工作機制爲未來獲得更豐富的單原子多能級態提供了有效的指導思路。相較于傳統量子阱，單原子缺陷中多電荷的操控爲未來基于電荷的量子器件研究和應用提供了一個新的平台。
相關結果以“Realizing quinary charge states of solitary defects in two-dimensional intermetallic semiconductor”爲題發表在《國家科學評論》（National Science Review, nwab070）, 苟健（已畢業）、夏炳煜（清華大學博士生，已畢業）爲共同第一作者，陳岚研究員、吳克輝研究員、徐勇教授爲共同通訊作者。程鵬副研究員和新加坡國立大學Andrew Wee教授等參與了該項研究。
這一工作獲得科技部、國家自然科學基金委、北京自然科學基金、中科院先導專項、北京未來芯片先進創新中心以及新加坡國家科學基金的支持。
圖：含兩個Bi空位缺陷SnBi的STM圖(a)及相同位置下的微分電導map(b)。(c) SnBi上Bi空位缺陷的模型圖 。(d-e) 分別跨越兩個相同類型缺陷（(a)中的A1和A2）的線路徑微分電導譜。其中，垂直虛線標記了A1、A2缺陷的位置，點橫線代表了計算得到的對應每一個充電峰的針尖引起的能帶彎曲，彎曲能量如圖標注所示。(c) 由針尖引起的能帶彎曲計算所得到的A1和A2分別對應充電能級能量的分布情況。
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