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團(tuán)隊(duì)在激光誘導(dǎo)構(gòu)筑高性能單光子源方面獲進(jìn)展
來源：中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心
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單色性好、亮度高及穩(wěn)定性優(yōu)秀的單光子源是實(shí)現(xiàn)光學(xué)量子計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)，限制了二維半導(dǎo)體單光子源在量子計(jì)算和量子通信中的應(yīng)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(dǎo)體覆蓋在納米柱狀的陣列上所構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)簡單易于制造，但卻存在一些難以克服的困難。如二維半導(dǎo)體和納米柱子無法緊密貼合，造成二維半導(dǎo)體在納米柱子上的最大應(yīng)變點(diǎn)不唯一，誘導(dǎo)的單光子源會(huì)出現(xiàn)閃爍和波長不唯一（通常在一個(gè)波段隨機(jī)出現(xiàn)數(shù)個(gè)到數(shù)十個(gè)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(yīng)變量十分有限，導(dǎo)致了單光子源的強(qiáng)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(dāng)前需要克服的難點(diǎn)之一。
褶皺應(yīng)變作為二維半導(dǎo)體的應(yīng)變方式，具有高靈敏、低成本、應(yīng)變集中等特點(diǎn)，有望為基于應(yīng)變誘導(dǎo)的二維半導(dǎo)體單光子源的構(gòu)筑提供新的途徑。然而，褶皺應(yīng)變具有的取向隨機(jī)性，會(huì)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(yīng)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(tuán)隊(duì)基于自主開發(fā)的新原理激光直寫設(shè)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(dǎo)模量調(diào)控的應(yīng)變新思路，取得了系列的相關(guān)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(tuán)隊(duì)與北京化工大學(xué)王聰團(tuán)隊(duì)、南洋理工大學(xué)高煒博團(tuán)隊(duì)合作，在二維半導(dǎo)體應(yīng)變誘導(dǎo)單光子源的研究上取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)的二維半導(dǎo)體的大面積、陣列化納米應(yīng)變結(jié)構(gòu)的可控制備。研究團(tuán)隊(duì)通過“自上而下”和“自下而上”技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)可控的二維材料局域大應(yīng)變，建立了一種多級(jí)次、有序褶皺應(yīng)變結(jié)構(gòu)的制備新方法。通過精確設(shè)計(jì)褶皺應(yīng)變結(jié)構(gòu)的空間分布和應(yīng)變梯度，獲得了單層WSe2的局部大應(yīng)變（4%-5%）和單一最大應(yīng)變點(diǎn)并消除了二維半導(dǎo)體與底層之間的隨機(jī)滑移，實(shí)現(xiàn)了單光子源同時(shí)具有高亮度（飽和計(jì)數(shù)達(dá)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(yīng)變工程的高性能單光子源設(shè)計(jì)和調(diào)控及可尋址組裝提供了理論依據(jù)和實(shí)踐驗(yàn)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(xué)中心聯(lián)合培養(yǎng)博士生陳勝垚、北京化工大學(xué)副教授王聰、南洋理工大學(xué)博士后蔡洪冰為論文共同第一作者。北京大學(xué)王新強(qiáng)教授、國家納米科學(xué)中心劉新風(fēng)研究員、南開大學(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)以及中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、歐盟項(xiàng)目、中央高校基本科研經(jīng)費(fèi)、新加坡量子工程項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.12.026
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