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團隊在激光誘導構筑高性能單光子源方面獲進展
來源：中國科學院國家納米科學中心
山東拓普生物工程有限公司  http://www.jlkcpj.cn
單色性好、亮度高及穩(wěn)定性優(yōu)秀的單光子源是實現(xiàn)光學量子計算和量子通信的重要前提。近年來，在WSe2、WS2和MoTe2等2D-TMD材料中發(fā)現(xiàn)了單光子發(fā)射現(xiàn)象，為提高單光子發(fā)射器的性能提供了新的途徑。然而，到目前為止，同時具有高亮度、高穩(wěn)定性和優(yōu)秀單色性的單光子源尚未能實現(xiàn)，限制了二維半導體單光子源在量子計算和量子通信中的應用。
目前基于2D材料的單光子發(fā)射器，都是通過將二維半導體覆蓋在納米柱狀的陣列上所構成。其結構簡單易于制造，但卻存在一些難以克服的困難。如二維半導體和納米柱子無法緊密貼合，造成二維半導體在納米柱子上的最大應變點不唯一，誘導的單光子源會出現(xiàn)閃爍和波長不唯一（通常在一個波段隨機出現(xiàn)數(shù)個到數(shù)十個波長峰位），造成單光子源單色性和穩(wěn)定性都很差。此外，這種無法緊密貼合使得二維材料的應變量十分有限，導致了單光子源的強度不高。因此，單色性好、純度高及穩(wěn)定性高的單光子源是當前需要克服的難點之一。
褶皺應變作為二維半導體的應變方式，具有高靈敏、低成本、應變集中等特點，有望為基于應變誘導的二維半導體單光子源的構筑提供新的途徑。然而，褶皺應變具有的取向隨機性，會造成二維材料單光子源的不可尋址性及難以集成性，致使基于應變的二維材料單光子源在大面積、陣列化量子器件的制備上存在巨大困難。
劉前團隊基于自主開發(fā)的新原理激光直寫設備，開發(fā)出了多種非常規(guī)加工方法，創(chuàng)新性地提出了激光誘導模量調控的應變新思路，取得了系列的相關成果（Laser & Photonics Rev., 2023, 2300014；Nature Commun., 2016, 7, 13743；Adv. Mater.,2012, 24 3010；ZL 2018 1 1454770.8）。最近，劉前團隊與北京化工大學王聰團隊、南洋理工大學高煒博團隊合作，在二維半導體應變誘導單光子源的研究上取得新進展，實現(xiàn)了激光誘導的二維半導體的大面積、陣列化納米應變結構的可控制備。研究團隊通過“自上而下”和“自下而上”技術的結合，實現(xiàn)了精準可控的二維材料局域大應變，建立了一種多級次、有序褶皺應變結構的制備新方法。通過精確設計褶皺應變結構的空間分布和應變梯度，獲得了單層WSe2的局部大應變（4%-5%）和單一最大應變點并消除了二維半導體與底層之間的隨機滑移，實現(xiàn)了單光子源同時具有高亮度（飽和計數(shù)達2×106 counts/s）、高穩(wěn)定性和優(yōu)異的單色性（單色發(fā)射概率約為70%）。 該研究為基于應變工程的高性能單光子源設計和調控及可尋址組裝提供了理論依據(jù)和實踐驗證。成果以Realization of single photon emitters with high brightness and high stability and excellent monochromaticity為題發(fā)表在Matter雜志上。
國家納米科學中心聯(lián)合培養(yǎng)博士生陳勝垚、北京化工大學副教授王聰、南洋理工大學博士后蔡洪冰為論文共同第一作者。北京大學王新強教授、國家納米科學中心劉新風研究員、南開大學許京軍教授、張心正教授在器件制備以及單光子源性能測試等方面也給予了支持和幫助。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項以及中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金項目、歐盟項目、中央高�；�本科研經(jīng)費、新加坡量子工程項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.12.026
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