量子調(diào)控在芯片平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于二維材料的有序高效量子光源

    2015年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)教授等人在WSe2二維單原子層半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)非經(jīng)典單光子發(fā)射，連接了量子光學(xué)和二維材料這兩個(gè)重要領(lǐng)域，打開(kāi)了一條通往新型光量子器件的道路。由于基于單原子層的量子調(diào)控的潛在前景和新穎物理意義，該領(lǐng)域很快成為國(guó)際激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家們一直在進(jìn)一步探索量子發(fā)射器、量子計(jì)算機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)與新應(yīng)用。

    現(xiàn)在，來(lái)自史蒂文斯理工學(xué)院Stefan Strauf教授組報(bào)道了一種新的制備高效率量子發(fā)射器的方法，用于在芯片平臺(tái)上創(chuàng)建大量的量子光源。該方法具有有序可控以及量子產(chǎn)率高的特點(diǎn)，不僅為不可破解的加密系統(tǒng)開(kāi)發(fā)鋪平道路，而且還為量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)提供了可能的技術(shù)方案。該項(xiàng)工作成果發(fā)表在Nature Nanotechnology <單層WSe2中位點(diǎn)控制的量子發(fā)射體與等離子體納米腔的確定性耦合>一文中，文中描述了一種在芯片任意位置按需創(chuàng)建量子光源的新方法（如圖1a所示）。

圖1：在芯片上任意位置按需創(chuàng)建量子光源的示意圖
（圖片來(lái)源：Nature Nanotechnology 13,1137–1142 (2018)）

    藍(lán)寶石襯底上分布了有序分布的金顆粒（立方體）陣列，單層WSe2被轉(zhuǎn)移到襯底上，三氧化二鋁分隔層與金鏡子也被加入實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。理論與實(shí)驗(yàn)證明了單光子發(fā)射器存在于每個(gè)金顆粒的四角處。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單光子發(fā)射器實(shí)現(xiàn)了每秒發(fā)射4200萬(wàn)個(gè)光子，創(chuàng)歷史新高。

    值得指出的是，在量子發(fā)射器光致發(fā)光譜的測(cè)量過(guò)程中（如圖2所示），使用了德國(guó)attocube systems AG公司的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)共聚焦顯微鏡attoDRY1100+attoCFM（如圖3所示），它簡(jiǎn)單易用，模塊化的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了光學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放性與靈活性的要求。極低溫與強(qiáng)磁場(chǎng)下的光致發(fā)光、熒光光譜、拉曼光譜、光電流、電致發(fā)光、電學(xué)測(cè)量等材料性質(zhì)測(cè)量都可以由此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

圖2：低溫磁場(chǎng)中單層WSe2與金納米立方體耦合的光致發(fā)光測(cè)量結(jié)果
（圖片來(lái)源：Nature Nanotechnology 13,1137–1142 (2018)）


圖3：低振動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器—attoDRY系列
超低振動(dòng)是提供高分辨率與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定光譜的關(guān)鍵因素

    無(wú)液氦低溫強(qiáng)磁場(chǎng)顯微鏡attoCFM使用低溫與強(qiáng)磁場(chǎng)適用的位移器使樣品在三個(gè)不同線性軸方向上進(jìn)行幾個(gè)毫米范圍的精細(xì)移動(dòng)。配合特殊設(shè)計(jì)的適用于高NA值的低溫物鏡，系統(tǒng)可準(zhǔn)確定位與發(fā)現(xiàn)微米尺度的樣品。外置的光學(xué)頭可自由更換光學(xué)部件，可獨(dú)立調(diào)節(jié)激發(fā)和接受端口。該系統(tǒng)因而可以實(shí)現(xiàn)微納米尺度下樣品定量表面性質(zhì)表征。

圖4：無(wú)液氦低溫強(qiáng)磁場(chǎng)顯微鏡attoCFM系統(tǒng)具有超高穩(wěn)定性與極大靈活性，
簡(jiǎn)單易用，是研究具有挑戰(zhàn)性的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的不二之選