2020年7月13日-哥倫比亞工程公司和蒙大拿州立大學的研究人員今天報告說，他們發(fā)現(xiàn)在2-D材料(二硒化鎢(WSe2))中施加足夠的應(yīng)變會產(chǎn)生可以產(chǎn)生單光子發(fā)射器的局部狀態(tài)。利用過去三年在哥倫比亞開發(fā)的先進的光學顯微鏡技術(shù)，該團隊首次能夠?qū)@些狀態(tài)進行直接成像，從而揭示了即使在室溫下，它們也是高度可調(diào)諧的，并且可以作為量子點，密閉的半導體碎片，發(fā)光。

“我們的發(fā)現(xiàn)非常令人興奮，因為這意味著我們現(xiàn)在可以將單光子發(fā)射器放置在所需的任何位置，并且只需在特定位置彎曲或拉緊材料即可調(diào)整其特性，例如發(fā)射光子的顏色。”機械工程學副教授詹姆斯·舒克(James Schuck)說，他是《自然納米技術(shù)》今天發(fā)表的研究的共同負責人。“知道在何處以及如何調(diào)諧單光子發(fā)射器對于創(chuàng)建用于量子計算機甚至是模仿物理現(xiàn)象而無法用當今計算機建模的所謂“量子”模擬器的量子光學電路至關(guān)重要。”

諸如量子計算機和量子傳感器之類的量子技術(shù)的發(fā)展是一個快速發(fā)展的研究領(lǐng)域，因為研究人員想出了如何利用量子物理學的獨特性質(zhì)來創(chuàng)建比現(xiàn)有技術(shù)更高效，更快，更靈敏的設(shè)備。例如，量子信息(認為是加密的消息)將更加安全。

光由離散的能量包(稱為光子)組成，基于光的量子技術(shù)依賴于單個光子的創(chuàng)建和操縱。蒙大拿州立大學物理學助理教授，這項新研究的共同PI研究員尼古拉斯·鮑里斯(Nicholas Borys)指出：“例如，一個典型的綠色激光指示器僅需按一下按鈕，便每秒每秒發(fā)出1016(10萬億個)光子。”“但是，開發(fā)僅需通過開關(guān)即可產(chǎn)生單個可控光子的設(shè)備非常困難。”

五年來研究人員已經(jīng)知道，超薄二維材料中存在單光子發(fā)射器。他們的發(fā)現(xiàn)引起了極大的興奮，因為與大多數(shù)其他單光子發(fā)射器相比，二維材料中的單光子發(fā)射器可以更容易地進行調(diào)諧，并且更易于集成到設(shè)備中。但是沒有人了解導致這些二維材料中單光子發(fā)射的潛在材料特性。舒克說：“我們知道存在單光子發(fā)射器，但我們不知道為什么。”

2019年，德國不來梅大學理論物理研究所教授弗蘭克·賈恩克(Frank Jahnke)小組發(fā)表了一篇論文，該論文對氣泡中的應(yīng)變?nèi)绾螌е掳櫦y和單光子發(fā)射的局部狀態(tài)進行了理論分析。專注于從納米結(jié)構(gòu)和界面產(chǎn)生的傳感和工程現(xiàn)象的Schuck立刻對與Jahnke合作感興趣。他和鮑里斯(Borys)希望專注于微小的納米級皺紋，這些皺紋以甜甜圈的形狀圍繞這些超薄二維層中存在的氣泡形成。氣泡，通常是夾在兩層二維材料之間的小流體或氣體囊，會在材料中產(chǎn)生應(yīng)變并導致起皺。

Schuck的小組以及二維材料領(lǐng)域在研究這些單光子發(fā)射器的起源時面臨著重大挑戰(zhàn)：發(fā)出感興趣的光的納米級應(yīng)變區(qū)域要小得多，大約比厚度小50,000倍。的頭發(fā)，這是任何傳統(tǒng)的光學顯微鏡都無法解決的。

“這使得很難理解材料中到底是什么導致了單光子發(fā)射：僅僅是高應(yīng)變?是由于隱藏在應(yīng)變區(qū)域內(nèi)的缺陷引起的嗎?”該研究的主要作者湯姆·達林頓(Tom Darlington)說，他是博士后(Schuck)的博士后和前研究生。“你需要光線來觀察這些狀態(tài)，但是它們的尺寸是如此之小，以至于無法用標準顯微鏡進行研究。”

該團隊與哥倫比亞納米研究所的其他實驗室合作，利用了他們數(shù)十年的納米級研究專業(yè)知識。他們使用了先進的光學顯微鏡技術(shù)，包括其新的顯微鏡功能，不僅可以觀察納米氣泡，甚至可以觀察納米氣泡。他們先進的“納米光學”顯微鏡技術(shù)(即“納米鏡”)使他們能夠以約10 nm的分辨率對這些材料成像，而傳統(tǒng)光學顯微鏡可以達到約500 nm的分辨率。

許多研究人員認為，缺陷是2D材料中單光子發(fā)射源的來源，因為它們通常是3D材料(例如鉆石)中的缺陷。為了排除缺陷的作用并表明應(yīng)變可以單獨導致二維材料中的單光子發(fā)射器，Schuck的小組研究了由NSF資助的材料公司Columbia Engineering的Jim Hone小組開發(fā)的超低缺陷材料。研究科學與工程中心。他們還利用了在可編程量子材料中心(美國能源部能源前沿研究中心)中開發(fā)的新型雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在易于被Schuck的光學“納米鏡”研究的平臺上提供了清晰的氣泡。

加州大學伯克利分校物理學教授，勞倫斯·伯克利國家實驗室能源科學副實驗室主任杰弗里·內(nèi)頓說：“原子級缺陷通常歸因于這些材料中的局部發(fā)光源。” 。“這項工作的重點是這樣一個事實，即單獨的應(yīng)變而不需要原子級缺陷，可能會影響從低功率發(fā)光二極管到量子計算機的應(yīng)用。”

Schuck，Borys及其團隊現(xiàn)在正在研究如何使用應(yīng)變來精確地定制這些單光子發(fā)射器的特定特性，并為將來的量子技術(shù)開發(fā)通往這些發(fā)射器的工程可尋址和可調(diào)諧陣列的途徑。

Schuck指出：“我們的結(jié)果意味著，完全可調(diào)諧的室溫單光子發(fā)射器現(xiàn)在就在我們的掌握之中，為可控且實用的量子光子器件鋪平了道路。”“這些設(shè)備可以成為量子技術(shù)的基礎(chǔ)，量子技術(shù)將深刻改變我們所知道的計算，傳感和信息技術(shù)。”