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

    2015年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽教授等人在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)和二維材料這兩個重要領(lǐng)域，打開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)域很快成為國際激烈競爭的焦點。國內(nèi)外的科學(xué)家們一直在進一步探索量子發(fā)射器、量子計算機等相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)與新應(yīng)用。

    現(xiàn)在，來自史蒂文斯理工學(xué)院Stefan Strauf教授組報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，不僅為不可破解的加密系統(tǒng)開發(fā)鋪平道路，而且還為量子計算機的研發(fā)提供了可能的技術(shù)方案。該項工作成果發(fā)表在Nature Nanotechnology <單層WSe2中位點控制的量子發(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
（圖片來源：Nature Nanotechnology 13,1137–1142 (2018)）

    藍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驗的設(shè)計。理論與實驗證明了單光子發(fā)射器存在于每個金顆粒的四角處。實驗發(fā)現(xiàn)單光子發(fā)射器實現(xiàn)了每秒發(fā)射4200萬個光子，創(chuàng)歷史新高。

    值得指出的是，在量子發(fā)射器光致發(fā)光譜的測量過程中（如圖2所示），使用了德國attocube systems AG公司的低溫強磁場共聚焦顯微鏡attoDRY1100+attoCFM（如圖3所示），它簡單易用，模塊化的設(shè)計滿足了光學(xué)實驗開放性與靈活性的要求。極低溫與強磁場下的光致發(fā)光、熒光光譜、拉曼光譜、光電流、電致發(fā)光、電學(xué)測量等材料性質(zhì)測量都可以由此實驗平臺實現(xiàn)。

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


圖3：低振動無液氦磁體與恒溫器—attoDRY系列
超低振動是提供高分辨率與長時間穩(wěn)定光譜的關(guān)鍵因素

    無液氦低溫強磁場顯微鏡attoCFM使用低溫與強磁場適用的位移器使樣品在三個不同線性軸方向上進行幾個毫米范圍的精細移動。配合特殊設(shè)計的適用于高NA值的低溫物鏡，系統(tǒng)可準確定位與發(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，可獨立調(diào)節(jié)激發(fā)和接受端口。該系統(tǒng)因而可以實現(xiàn)微納米尺度下樣品定量表面性質(zhì)表征。

圖4：無液氦低溫強磁場顯微鏡attoCFM系統(tǒng)具有超高穩(wěn)定性與極大靈活性，
簡單易用，是研究具有挑戰(zhàn)性的量子光學(xué)實驗的不二之選