[发明专利]一种二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法

说明书

本发明公开了一种二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，该方法采用紧束缚哈密顿量，对多种二维过渡金属硫族化合物量子点进行建模仿真，给出低温下自洽的量子点分立能级结构，指导自旋量子比特、能谷量子比特以及自旋‑能谷量子比特的设计优化。本发明能够为多种二维过渡金属硫族化合物的静电学量子点问题提供精确的仿真方法，实现低温下基于面内多栅极量子阱和异质结量子阱的二维材料量子点仿真设计优化与实验指导，量子点形态、尺寸、缺陷原子和磁场调控效应可以得到精确、高效的仿真结果，为量子比特的设计提供了高置信度仿真平台，具有全面、精确和高效的优势，在二维半导体材料量子计算领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及二维半导体材料量子点为基础的量子计算元件和量子比特仿真设计领域，具体涉及一种二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，该方法可实现二维材料量子点及其对应的自旋/能谷量子比特高效仿真与设计。

背景技术

近年来，二维过渡金属硫族化合物半导体所具有的优异的界面性质、静电学特性，以及新颖的自旋和能谷动力学性质吸引了广泛的研究兴趣，同时基于这些特性，人们初步开展了针对二维材料量子点的理论和实验研究，寻求利用其自旋和能谷自由度设计量子比特，并用于量子计算。然而，对二维材料量子点的仿真和实验均处于初始阶段，理论和方法尚不成熟，对量子比特的设计和定义尚不明确；同时，对二维过渡金属硫族化合物量子点的仿真方法普遍采用基于第一性原理的商业软件，耗费计算成本和计算时间。为此，本发明提出了一种二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，在保证计算精度的同时，提高计算效率，减少计算资源的消耗。

现有文献(S.Bednarek,B.Szafran,and J.Adamowski,“Theoreticaldescription of electronic properties of vertical gated quantum dots,”Phys.Rev.B,vol.64,no.19,p.195303,Oct.2001,doi:10.1103/PhysRevB.64.195303.)提出了一种基于薛定谔-泊松方程自洽求解的III-V族异质结材料量子点仿真方法，描述了垂直栅极束缚和异质结量子阱共同形成的量子点结构的分立能级、电学性质和库伦阻塞。该仿真方法简单快捷，准确且高效，然而，该方法仅针对III-V族材料异质结形成的静电学量子点，且仅针对基于电荷自由度的单电子器件和量子比特设计，无法描述二维材料量子点分立能态所具有的独特自旋和能谷自由度。

值得注意的是，文献(S.and F.M.Peeters,“Electronic properties oftriangular and hexagonal MoS₂ quantum dots,”Phys.Rev.B,vol.91,no.15,p.155410,Apr.2015,doi:10.1103/PhysRevB.91.155410.)首先采用了基于最近邻的紧束缚模型，仿真计算三角形和六边形MoS₂量子点的电子能级结构，但是该仿真方法未涉及静电学量子点的静态和动态自洽仿真，以及自旋和能谷自由度的量子比特仿真设计。此外，该方法中采用的紧束缚模型仅限于最近邻原子的相互作用，无法给出准确的电子能带结构、Γ/K能谷位置和带隙大小；仿真中得到的价带顶能态来自Γ能谷，无法给出准确的价带自旋/能谷量子比特定义。