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微小气泡实现了量子飞跃-量子技术和未来光子电路的关键突破

利用精密的光学显微镜技术,哥伦比亚大学的工程师首次证明了在二维材料中充分的应变可以产生单光子发射器,这是量子技术和未来光子电路的关键。

哥伦比亚工程学院和蒙大拿州立大学的研究人员今天报告说,他们发现在二维材料中放置足够的张力可以产生局部态,从而产生单光子发射器。利用哥伦比亚大学过去3年开发的精密光学显微镜技术,该团队第一次能够直接成像这些状态,揭示出即使在室温下,它们也具有高度可调性,并像量子点一样发挥作用,量子点是被严格限制的发光半导体片段。

我们的发现非常令人兴奋,因为这意味着我们现在可以将单光子发射体定位到我们想要的任何地方,并调整其属性,比如发射光子的颜色,只需在特定位置弯曲或拉伸材料即可。机械工程副教授James Schuck说,他共同领导了这项于2020年7月13日发表在自然纳米技术上的研究。知道在哪里以及如何调谐单光子发射器对于创建用于量子计算机甚至所谓的量子光学电路是至关重要的。模拟物理现象的模拟器,这些现象过于复杂,无法用今天的计算机模拟。

发展量子技术,如量子计算机和量子传感器,是一个快速发展的研究领域,因为研究人员发现如何利用量子物理的独特特性,创造出比现有技术更高效、更快、更灵敏的设备。例如,量子信息认为加密的消息会更安全。

光是由被称为光子的分立的能量包组成的,而基于光的量子技术依赖于单个光子的创造和操纵。例如,一个典型的绿色激光指示器仅仅按下一个按钮,每秒就会发出超过1016个光子。蒙大拿州立大学的物理学助理教授兼这项新研究的合作者Nicholas Borys指出。但是,要开发一种只需扳动开关就能产生单个可控光子的设备是极其困难的。

研究人员五年前就知道,单光子发射器存在于超薄的2D材料中。他们的发现令人兴奋,因为与大多数其他单光子发射器相比,二维材料中的单光子发射器更容易调谐,更容易集成到设备中。但没有人了解导致这些二维材料中单光子发射的基本材料特性。我们知道存在单光子发射器,但不知道为什么,舒克说。

2019年,德国不莱梅大学理论物理研究所教授弗兰克·扬克(Frank Jahnke)的团队发表了一篇论文,从理论上阐述了气泡中的张力如何导致单光子发射的褶皱和局部状态。专注于纳米结构和界面产生的传感和工程现象的Schuck,立即对与Jahnke的合作产生了兴趣。他和Borys想把重点放在超薄的二维层中气泡周围形成的微小的纳米级皱纹上。这些气泡,通常是困在两层二维材料之间的流体或气体的小口袋,会在材料中产生张力,导致起皱。

Schuck’ s组和2 d材料领域,面临一个重大的挑战在研究这些单光子发射的起源:纳米尺度下紧张的地区,它发出的光的兴趣,更smaller—大约50000倍的厚度小于人类hair—解决比任何传统的光学显微镜。

这使得我们很难理解材料中是什么导致了单光子发射:仅仅是高应变吗?是由于缺陷隐藏在紧张区域?该研究的主要作者汤姆·达林顿说,他是舒克的博士后和前研究生研究员。你需要光来观察这些状态,但它们的尺寸是如此之小,用标准显微镜是无法研究它们的。

该团队与哥伦比亚纳米研究所的其他实验室合作,利用了他们数十年来在纳米尺度研究方面的专业知识。他们使用复杂的光学显微镜技术,包括他们新的显微镜功能,不仅观察纳米气泡,而且观察气泡内部。先进的“;nano-optical”显微技术使他们能够以10nm的分辨率成像这些材料,而传统的光学显微镜可以达到大约500nm的分辨率。

许多研究者认为缺陷是二维材料中单光子发射器的来源,因为它们通常存在于三维材料中,如金刚石。为了排除缺陷的作用,并证明应变本身可以对二维材料中的单光子发射器负责,shuck&s的研究小组研究了由Jim hone&s小组开发的超低缺陷材料,该小组隶属于美国国家自然基金会资助的材料研究科学与工程中心。他们还利用了可编程量子材料中心(美国能源部前沿研究中心)开发的新型双层结构,该结构在一个平台上提供了定义明确的气泡,可以用schuck&nm管轻松研究。

原子尺度缺陷通常是由这些材料中局部的光源发射引起的。加州大学伯克利分校的物理学教授、劳伦斯伯克利国家实验室能源科学实验室副主任杰弗里·尼顿说,他没有参与这项研究。这项工作的重点在于,不需要原子尺度的缺陷,仅应变就可能影响从低功率发光二极管到量子计算机的应用。

Schuck, Borys和他们的团队正在探索如何利用应变来精确地定制这些单光子发射器的特定属性,并为未来的量子技术开发这些发射器的工程可寻址和可调阵列。

我们的研究结果意味着,完全可调的室温单光子发射器已经在我们的掌握之中,为可控和实用的量子光子器件铺平了道路。舒克说。这些设备将成为量子技术的基础,量子技术将深刻地改变计算、传感和我们所知的信息技术。

参考文献:室温下单层WSe2纳米气泡中应变局域激子的成像由托马斯·p·达林顿,基督教Carmesin马提亚Florian, Emanuil Yanev, Obafunso Ajayi,詹妮Ardelean,丹尼尔·a·罗兹奥古斯托Ghiotto,安德烈Krayev,吴克群渡边隆谷口,杰弗里·w·凯泽Abhay n . Pasupathy James c .磨练,弗兰克·杨克Nicholas j . Borys p·詹姆斯·舒克,2020年7月13日,自然纳米技术只

DOI: 10.1038 / s41565 - 020 - 0730 - 5

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