微小的气泡带来了巨大的飞跃

2020年7月13日-哥伦比亚工程公司和蒙大拿州立大学的研究人员今天报告说，他们发现在2-D材料(二硒化钨(WSe2))中施加足够的应变会产生可以产生单光子发射器的局部状态。利用过去三年在哥伦比亚开发的先进的光学显微镜技术，该团队首次能够对这些状态进行直接成像，从而揭示了即使在室温下，它们也是高度可调谐的，并且可以作为量子点，密闭的半导体碎片，发光。

“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器放置在所需的任何位置，并且只需在特定位置弯曲或拉紧材料即可调整其特性，例如发射光子的颜色。”机械工程学副教授詹姆斯·舒克(James Schuck)说，他是《自然纳米技术》今天发表的研究的共同负责人。“知道在何处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是模仿物理现象而无法用当今计算机建模的所谓“量子”模拟器的量子光学电路至关重要。”

诸如量子计算机和量子传感器之类的量子技术的发展是一个快速发展的研究领域，因为研究人员想出了如何利用量子物理学的独特性质来创建比现有技术更高效，更快，更灵敏的设备。例如，量子信息(认为是加密的消息)将更加安全。

光由离散的能量包(称为光子)组成，基于光的量子技术依赖于单个光子的创建和操纵。蒙大拿州立大学物理学助理教授，这项新研究的共同PI研究员尼古拉斯·鲍里斯(Nicholas Borys)指出：“例如，一个典型的绿色激光指示器仅需按一下按钮，便每秒每秒发出1016(10万亿个)光子。”“但是，开发仅需通过开关即可产生单个可控光子的设备非常困难。”

五年来研究人员已经知道，超薄二维材料中存在单光子发射器。他们的发现引起了极大的兴奋，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可以更容易地进行调谐，并且更易于集成到设备中。但是没有人了解导致这些二维材料中单光子发射的潜在材料特性。舒克说：“我们知道存在单光子发射器，但我们不知道为什么。”

2019年，德国不来梅大学理论物理研究所教授弗兰克·贾恩克(Frank Jahnke)小组发表了一篇论文，该论文对气泡中的应变如何导致皱纹和单光子发射的局部状态进行了理论分析。专注于从纳米结构和界面产生的传感和工程现象的Schuck立刻对与Jahnke合作感兴趣。他和鲍里斯(Borys)希望专注于微小的纳米级皱纹，这些皱纹以甜甜圈的形状围绕这些超薄二维层中存在的气泡形成。气泡，通常是夹在两层二维材料之间的小流体或气体囊，会在材料中产生应变并导致起皱。

Schuck的小组以及二维材料领域在研究这些单光子发射器的起源时面临着重大挑战：发出感兴趣的光的纳米级应变区域要小得多，大约比厚度小50,000倍。的头发，这是任何传统的光学显微镜都无法解决的。

“这使得很难理解材料中到底是什么导致了单光子发射：仅仅是高应变?是由于隐藏在应变区域内的缺陷引起的吗?”该研究的主要作者汤姆·达林顿(Tom Darlington)说，他是博士后(Schuck)的博士后和前研究生。“你需要光线来观察这些状态，但是它们的尺寸是如此之小，以至于无法用标准显微镜进行研究。”

该团队与哥伦比亚纳米研究所的其他实验室合作，利用了他们数十年的纳米级研究专业知识。他们使用了先进的光学显微镜技术，包括其新的显微镜功能，不仅可以观察纳米气泡，甚至可以观察纳米气泡。他们先进的“纳米光学”显微镜技术(即“纳米镜”)使他们能够以约10 nm的分辨率对这些材料成像，而传统光学显微镜可以达到约500 nm的分辨率。

许多研究人员认为，缺陷是2D材料中单光子发射源的来源，因为它们通常是3D材料(例如钻石)中的缺陷。为了排除缺陷的作用并表明应变可以单独导致二维材料中的单光子发射器，Schuck的小组研究了由NSF资助的材料公司Columbia Engineering的Jim Hone小组开发的超低缺陷材料。研究科学与工程中心。他们还利用了在可编程量子材料中心(美国能源部能源前沿研究中心)中开发的新型双层结构，该结构在易于被Schuck的光学“纳米镜”研究的平台上提供了清晰的气泡。

加州大学伯克利分校物理学教授，劳伦斯·伯克利国家实验室能源科学副实验室主任杰弗里·内顿说：“原子级缺陷通常归因于这些材料中的局部发光源。” 。“这项工作的重点是这样一个事实，即单独的应变而不需要原子级缺陷，可能会影响从低功率发光二极管到量子计算机的应用。”

Schuck，Borys及其团队现在正在研究如何使用应变来精确地定制这些单光子发射器的特定特性，并为将来的量子技术开发通往这些发射器的工程可寻址和可调谐阵列的途径。

Schuck指出：“我们的结果意味着，完全可调谐的室温单光子发射器现在就在我们的掌握之中，为可控且实用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我们所知道的计算，传感和信息技术。”

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