作为一种新型的量子材料，三维拓扑绝缘体以具有时间反演对称性保护的无能隙狄拉克表面态及其动量与自旋相互锁定的优异特性，被认为是研究拓扑量子态体系中基本物理问题、开发研制低功耗自旋电子学器件和拓扑信息处理器件最有前景的材料之一。然而，目前的研究主要集中在三维拓扑绝缘体材料自身的物理性质方面；对如何在三维拓扑绝缘体材料中建立受限拓扑量子态，进而制作拓扑量子器件，研究器件中的新颖多体拓扑物理现象和狄拉克电子量子输运现象，尚未有突破性进展。

近期，北京大学信息科学技术学院电子学系徐洪起博雅讲席教授、黄少云副教授研究组与北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授研究组合作，成功地以三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃薄片为基材制作出单电子隧穿晶体管器件，并对器件中的库仑阻塞现象进行了精细测量研究，为进一步研究受限拓扑量子态体系中的多体物理与关联物理问题，以及制作基于三维拓扑绝缘体的量子器件奠定了实验基础。2019年9月，基于相关工作的学术论文以“基于三维拓扑绝缘体的单电子晶体管器件”（“A single-electron transistor made of a 3D topological insulator nanoplate”）为题，在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）。第一作者为电子学系2012级博士研究生敬玉梅，徐洪起、黄少云为通讯作者。

Bi₂Te₃纳米薄片单电子晶体管器件的结构图和实验测得的电流库仑震荡曲线，其中A和B分别为器件结构示意图和所制作的器件扫描电镜照片，C～E为实验测得的电流震荡曲线及其局部放大结果图

彭海琳研究组采用化学气相沉积（CVD）技术，经过多次优化，在云母衬底上生长出高品质的Bi₂Te₃纳米薄片。徐洪起-黄少云研究组通过采用当代先进的微纳加工技术，经过工艺攻关优化，制作出单电子隧穿晶体管器件，并通过低温量子输运测量，研究了电流的库仑震荡现象和电荷的稳态构型图。采用三维拓扑绝缘体建立单电子隧穿晶体管器件的关键是能够可控、有效地在具有无能隙表面态的三维拓扑绝缘体材料中定义连接受限拓扑量子点和源漏的量子隧穿结。该项研究工作首次由实验证明，这样的量子隧穿结可通过在Bi₂Te₃薄片上构建一定宽度的量子点接触，从而在表面态能谱中打开一个可控的能隙来实现，为在三维拓扑绝缘体材料体系中构建量子器件铺就了一条创新性的技术路线。

Bi₂Te₃纳米薄片单电子晶体管器件的电子输运特性，其中A为微分电导随栅压和源漏偏压的变化图（器件的电荷稳态图），B为A中黄色虚线部分的局部放大图

上述工作主要依托固态量子器件北京市重点实验室完成，得到国家自然科学基金、国家重点研发计划“纳米科技”和“量子调控”重点专项、北京市科技计划和北京量子信息科学研究院等资助。