微小气泡实现量子飞跃:量子技术和未来光子电路的关键突破

过滤的纳米气泡二硒化钨

激光照射纳米光学探针的示意图,研究了钨丁烯(WSE2;绿色和黄色球)的紧张纳米胶质,是二维半导体。单层WSE2坐在一层氮化硼(蓝色和灰色球)上。信用:尼古拉斯博里斯/蒙大拿州立大学

使用复杂的光学显微镜技术,哥伦比亚工程师首先证明了2D材料中足够的应变可以产生单光子发射器,键入量子技术和未来的光子电路。

哥伦比亚工程和蒙大拿州立大学的研究人员今天已经发现,他们发现将足够的菌株放置在2D材料 - 钨酶(WSE2)中 - 可产生单光子发射器的局部状态。在过去3年中,使用在哥伦比亚在哥伦比亚开发的复杂的光学显微镜技术,该团队能够首次直接通过这些状态进行映像这些状态,揭示即使在室温下,它们也是高度可调的,充当量子点,紧密限制了一系列的半导体发光。

“我们的发现非常令人兴奋,因为它意味着我们现在可以无论我们想要的任何位置都可以定位一个单光子发射器,并通过在特定位置的弯曲或紧张材料的情况下调整其性质,例如发出的光子的颜色,”詹姆斯·舒克表示,机械工程副教授,他在2020年7月13日公布的研究中联合领导了这项研究自然纳米技术。“知道单光子发射器的位置以及如何调整单光子发射器对于在量子计算机中使用的量子光学电路是必不可少的,甚至在所谓的”量子“模拟器中,模仿物理现象的模仿与当今的计算机模拟太复杂。”

量子纳米波布布尔

开发量子技术如量子计算机和量子传感器是一种快速发展的研究领域,因为研究人员弄清楚如何使用量子物理学的独特属性来创建可以更高效,更快,更敏感的设备,比现有技术更快,更敏感。例如,量子信息思考加密的消息 - 将更安全。

光由被称为光子的离散的能量包组成,并且基于光的量子技术依赖于各个光子的创建和操纵。“例如,典型的绿色激光指针超过1016.蒙大拿州立大学物理学助理教授、这项新研究的联席研究员尼古拉斯·博里斯(Nicholas Borys)指出。“但是,要开发一种通过开关轻轻一拍就能产生单个可控光子的设备是非常困难的。”

研究人员在五年前就知道超薄二维材料中存在单光子发射器。他们的发现受到了极大的欢迎,因为在2D材料中的单光子发射器比其他大多数单光子发射器更容易调谐,也更容易集成到设备中。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性质。“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,一个来自德国不来梅大学理论物理研究所教授的弗兰克··纳克(Frank Jahnke),了解泡沫中的菌株如何导致皱纹和局部各种用于单光子发射的皱纹。Schuck,他们专注于感应和工程现象从纳米结构和界面出现,立即与Jahnke合作。他和海湾想要专注于微小的纳米级皱纹,这些皱纹形状的圆润形状,这些圆形围绕这些超薄2D层中存在的气泡。气泡,通常小的流体或气体捕获在两层2D材料之间,在材料中产生应变并导致皱纹。

Schuck’s group, and the field of 2D materials, faced a major challenge in studying the origins of these single-photon emitters: the nanoscale strained regions, which emit the light of interest, are much smaller—roughly 50,000 times smaller than the thickness of a human hair—than can be resolved with any conventional optical microscope.

“这使得很难理解物质的专门导致单光子发射:它只是高菌株吗?它是隐藏在紧张区域内的缺陷吗?“该研究的领先作家汤姆达灵顿,谁是博克的博克和前研究生研究员。“你需要光来观察这些状态,但它们的尺寸如此之小,以至于他们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,从纳米级研究中提升了数十年的长期专业知识。它们使用复杂的光学显微镜技术,包括它们的新显微镜能力,看起来不仅仅是在纳米气泡,但即使在它们内部。它们的先进“纳米光学”显微镜技术 - 它们的“纳米镜” - 以〜10nm分辨率以约10nm的分辨率图像以常规光学显微镜实现的约500nm分辨率相比。

许多研究人员认为,缺陷是2D材料中单光子发射器的源极,因为它们通常是诸如钻石的3D材料。To rule out the role of defects and show that strain alone could be responsible for single-photon emitters in 2D materials, Shuck’s group studied the ultralow-defect materials developed by Jim Hone’s group at Columbia Engineering, part of the NSF-funded Materials Research Science and Engineering Center. They also leveraged new bilayer structures developed within the Programmable Quantum Materials Center (a DOE Energy Frontiers Research Center), which provided well-defined bubbles in a platform that was easily studied with Schuck’s optical “nanoscopes.”

“原子造型缺陷通常归因于这些材料中的本地化光源来源,”UC伯克利和能源科学副实验室主任的物理学教授Jeffrey Neaton说,Lawrence Berkeley国家实验室没有参与该研究。“在这种情况下强调单独的菌株的事实,而无需原子尺度缺陷,可能影响从低功率发光二极管到量子计算机的应用。”

Schuck, Borys和他们的团队现在正在探索如何利用应变来精确地调整这些单光子发射器的特定特性,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。

“我们的结果意味着完全可调,房间温度单光子发射器现在在我们的掌握中,为可控和实用的光子电气设备铺平道路,”肖克观察。“这些设备可以是量子技术的基础,以便在我们知道的情况下深刻地改变计算,感知和信息技术。”

参考:“成像strain-localized激子在单层纳米泡沫WSe2室温”由托马斯·p·达林顿,基督教Carmesin马提亚Florian, Emanuil Yanev, Obafunso Ajayi,詹妮Ardelean,丹尼尔·a·罗兹奥古斯托Ghiotto,安德烈Krayev,吴克群渡边隆谷口,杰弗里·w·凯泽Abhay n . Pasupathy James c .磨练,弗兰克·杨克Nicholas j . Borys p·詹姆斯·舒克,2020年7月13日,自然纳米技术
DOI:10.1038 / S41565-020-0730-5

是第一个评论在“微小的气泡使量子飞跃:量子技术和未来光子电路的关键突破”

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