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微小的气泡产生了量子飞跃

“我们的发现是非常令人兴奋的,因为这意味着我们现在可以位置单光子发射体无论我们想要的,和优化它的属性,比如发射的光子的颜色,通过弯曲或紧张材料在特定的位置,”詹姆斯·舒克副教授机械工程,该研究今天出版的《自然纳米技术。“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的量子光学电路至关重要,甚至在所谓的‘量子’模拟器中也很重要。量子模拟器模拟的物理现象过于复杂,用今天的计算机无法模拟。”

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——比如加密的信息——将更加安全。

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。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:“例如,一个典型的绿色激光笔仅仅按下一个按钮,每秒就会发出超过1016个光子。”“但是,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二维材料中。他们的发现令人兴奋,因为在二维材料中,单光子发射器比其他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。“我们知道单光子发射器的存在,但我们不知道为什么,”Schuck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。

舒克的集团,二维材料领域,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-roughly小于50000倍的厚度可以解决人类的头发比任何传统的光学显微镜。

“这使得我们很难理解材料中导致单光子发射的具体原因:仅仅是高应变吗?”是来自隐藏在紧张区域内的缺陷吗?”该研究的第一作者汤姆·达林顿说,他是舒克的博士后和前研究生研究员。“你需要光线来观察这些状态,但它们的尺寸太小,无法用标准显微镜来研究。”

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。他们先进的“纳米光学”显微技术——他们的“纳米管”——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,并证明在二维材料中应变本身就可以对单光子发射体起作用,Schuck的小组研究了由Jim Hone的小组开发的超低缺陷材料,该小组隶属于nsf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(美国能源部能源前沿研究中心)开发的新型双层结构,这种结构在一个平台上提供了定义明确的气泡,可以用舒克的光学“纳米管”轻松研究。

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(Jeffrey Neaton)说:“原子尺度的缺陷通常归因于这些材料的局部光源发光。”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,只需要应变就可以潜在地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。

Schuck说:“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,这为可控制的和实际的量子光子器件铺平了道路。”“这些设备可以成为量子技术的基础,量子技术将深刻改变计算、感知和信息技术。”

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