理解周期构型组装电子体系的相干耦合与输运特性，是构筑高性能纳电子器件和新型量子器件的重要基础。将一维弹道导体人工组装为二维有序系统，既能保留单根一维体系的优异电子特性，又能通过维度拓展实现可控的集体量子效应，为设计具有特定物性的人工电子体系提供了全新思路。高密度顺排碳纳米管阵列兼具出色的电子学应用潜力与广阔的量子调控前景。然而长期以来，大面积、高均匀性的高密度顺排碳纳米管阵列制备难度大，制约了系统性量子输运研究的开展；同时，这类多通道耦合体系的量子输运规律尚未明确，此前研究多聚焦于单根或少量碳纳米管束的输运行为，缺乏对数百根碳纳米管阵列量子输运特性的深入研究。

近日，北京大学电子学院的康宁-张志勇团队在这一关键问题上取得突破。团队基于高密度顺排碳纳米管阵列，系统研究了管间耦合关联的集体量子相干效应与能带重构机制，并构建了多通道耦合体系的量子相干物理图像，为新型量子器件设计提供了理论与实验基础。

在研究中，科研团队采用“维度自限制组装”技术构建出管间距小于0.5纳米的高密度顺排碳纳米管阵列，并结合高效固体栅极结构，实现了对体系载流子浓度的大范围调控。低温输运测量结果显示，器件呈现出清晰的阶梯状电导平台（图1），这一特征不仅揭示了准弹道输运的实现，更表明阵列中数百根碳纳米管以集体形式同步填充子带，展现出独特的集体量子输运特性。进一步的研究发现，碳纳米管阵列的子带填充能量尺度远小于单根碳纳米管，反映了阵列中的管间耦合对其电子结构的显著影响。

图1 基于高密度碳纳米管阵列的器件结构和阶梯状电导平台输运特征

结合密度泛函理论模型，团队提出并验证了管间耦合所导致的能带重构机制（图2）。随着管间间距的减小，相邻碳纳米管的电子波函数重叠，引发能带简并解除，导致子带能量间距显著减小。通过调控栅极电压，团队实现了从量子点离散态到子带连续态的可控转变，清晰划分了不同管间耦合强度下的输运区域，并观察到了不同输运区间的耦合效应。通过对输运行为的系统分析，团队构建了多通道耦合系统的完整量子相干物理图像，为利用工程化的人工组装晶体设计和开发相干量子与新型电子器件提供了新路径。

图2 密度泛函理论模型计算的碳纳米管阵列中的管间耦合效应和能带重构机制

以上成果以《人工组装的碳纳米管阵列中的集体量子相干性和子带重整化》（“Collective quantum coherence and subband redistribution in artificially assembled nanotube arrays”）为题，于2026年1月27日在线发表于《国家科学评论》（National Science Review）。该项研究得到了国家重点研发计划、量子科技专项和国家自然科学基金等项目，以及纳米器件物理与化学教育部重点实验室的支持。北京大学电子学院博雅博士后邓小松和电子科技大学博士后李伟立为论文共同第一作者，康宁和张志勇为论文共同通讯作者。论文的主要合作者还包括北京量子信息科学研究院裴天研究员、北京大学电子学院王胜副研究员、电子科技大学张妍宁教授和浙江大学金传洪教授等。