中國科大郭光燦院士團隊孫方穩(wěn)課題組和國家同步輻射實驗室/核科學技術(shù)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(tài)-金屬態(tài)相變的光學調(diào)控，實現(xiàn)形狀可任意重構(gòu)的微納米電流通路，并展示其在固態(tài)自旋量子操控的應(yīng)用。該成果8月29日以“Reconfigurable photothermal doping filament for selective spin manipulation and addressing”為題發(fā)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(xiàn)信息和能量傳輸?shù)闹匾�手段，是當前集成電子學和信息科學的核心技術(shù)，并在量子科學等前沿基礎(chǔ)領(lǐng)域被廣泛研究和應(yīng)用。隨著信息處理需求的增加，基于傳統(tǒng)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(gòu)電子器件為發(fā)展下一代信息技術(shù)提供一種新方案，與傳統(tǒng)單一功能電子器件不同，其能夠根據(jù)任務(wù)需求動態(tài)改變自身功能特性，具備在不增加集成電子器件數(shù)量和結(jié)構(gòu)復雜度的情況下實現(xiàn)更多功能的潛力。

孫方穩(wěn)課題組和鄒崇文課題組長期開展跨學科合作，在可重構(gòu)量子器件研制和量子傳感應(yīng)用方面開展了研究。利用二氧化釩強關(guān)聯(lián)氧化物材料制備類腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，并基于金剛石色心自旋傳感實現(xiàn)對二氧化釩人工神經(jīng)元器件的量子成像（Sci.Adv.9, eadg9376(2023)）。

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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(shù)(Photothermal doping)，通過掃描聚焦光束，并利用其光熱效應(yīng)觸發(fā)二氧化釩薄膜瞬態(tài)絕緣體-金屬相變，形成局域“光熱摻雜”微區(qū)(類似半導體離子注入摻雜)，從而在微米尺度實現(xiàn)任意形狀電流通路的可重構(gòu)寫入。該方法將光場調(diào)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(shù)實時調(diào)控能力，實現(xiàn)如“S”形狀的任意彎曲電流制備。研究人員將該可重構(gòu)電路器件用于直流、微波信號的傳輸，通過電流產(chǎn)生局域電磁信號對金剛石色心自旋量子體系的泵浦，實現(xiàn)拉比振蕩、冉塞條紋等量子態(tài)相干操控。研究人員進一步通過對電流形狀的任意調(diào)控，結(jié)合電流產(chǎn)生的磁場梯度，實現(xiàn)對不同空間位置固態(tài)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(gòu)電子器件極大提升了對微納尺度電流控制的靈活性。后續(xù)，研究人員將進一步提高光場調(diào)控能力，提升可重構(gòu)電流通路的操控可靠性和電流導通能力，實現(xiàn)芯片尺度的可任意重構(gòu)電流。利用光控電路的現(xiàn)場重復編輯能力，實現(xiàn)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(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為實現(xiàn)可擴展的量子操控和探測器件提供支撐。

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圖2.利用可重構(gòu)光控電流實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(wěn)教授。該工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項目、中國科學與穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊項目、國家自然科學基金、安徽省重點研發(fā)計劃等項目的支持。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2507587122