中国科大郭光灿院士团队孙方稳课题组和国家同步辐射实验室/核科学技术学院邹崇文课题组合作，通过对二氧化钒（VO2）薄膜局域绝缘态-金属态相变的光学调控，实现形状可任意重构的微纳米电流通路，并展示其在固态自旋量子操控的应用。该成果8月29日以“Reconfigurable photothermal doping filament for selective spin manipulation and addressing”为题发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）上。
对微纳米尺度电流的操控和探测是实现信息和能量传输的重要手段，是当前集成电子学和信息科学的核心技术，并在量子科学等前沿基础领域被广泛研究和应用。随着信息处理需求的增加，基于传统半导体工艺的微纳电子器件越来越复杂，功耗越来越大。可重构电子器件为发展下一代信息技术提供一种新方案，与传统单一功能电子器件不同，其能够根据任务需求动态改变自身功能特性，具备在不增加集成电子器件数量和结构复杂度的情况下实现更多功能的潜力。
孙方稳课题组和邹崇文课题组长期开展跨学科合作，在可重构量子器件研制和量子传感应用方面开展了研究。利用二氧化钒强关联氧化物材料制备类脑神经元结构，并基于金刚石色心自旋传感实现对二氧化钒人工神经元器件的量子成像（Sci.Adv.9, eadg9376(2023)）。
图1 光控电流通路的写入示意图
在本工作中，研究人员提出了一种“光热掺杂”技术(Photothermal doping)，通过扫描聚焦光束，并利用其光热效应触发二氧化钒薄膜瞬态绝缘体-金属相变，形成局域“光热掺杂”微区(类似半导体离子注入掺杂)，从而在微米尺度实现任意形状电流通路的可重构写入。该方法将光场调控信息映射到电流通路的空间分布，显示出灵活的电流位置、方向、宽度等参数实时调控能力，实现如“S”形状的任意弯曲电流制备。研究人员将该可重构电路器件用于直流、微波信号的传输，通过电流产生局域电磁信号对金刚石色心自旋量子体系的泵浦，实现拉比振荡、冉塞条纹等量子态相干操控。研究人员进一步通过对电流形状的任意调控，结合电流产生的磁场梯度，实现对不同空间位置固态自旋阵列的选择性操控，展示了空间寻址的能力。
基于光控电流的可重构电子器件极大提升了对微纳尺度电流控制的灵活性。后续，研究人员将进一步提高光场调控能力，提升可重构电流通路的操控可靠性和电流导通能力，实现芯片尺度的可任意重构电流。利用光控电路的现场重复编辑能力，实现多功能、高灵活性、高效率的集成芯片，在人工智能、新一代信息技术等领域发挥重要作用，为实现可扩展的量子操控和探测器件提供支撑。
图2 利用可重构光控电流实现对金刚石色心阵列的选择性微波操控
本文第一作者为量子网络安徽省重点实验室博士生刘志威，通讯作者为陈向东副研究员、邹崇文研究员和孙方稳教授。该工作得到了科技创新2030重大项目、中国科学与稳定支持基础研究领域青年团队项目、国家自然科学基金、安徽省重点研发计划等项目的支持。
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