哥倫比亞大學工程與應用科學學院和蒙大拿大學的研究人員今天報告說，他們發現在二硒化鎢（WSe2）的二維材料中施加足夠的應變，會產生可以產生單光子發射器的局部狀態。利用過去三年研究團隊所開發的先進的光學顯微鏡技術，該團隊首次能夠對這些狀態進行直接成像，揭示出即使在室溫下它們也是高度可調製的，並且可以作為密閉的半導體發光碎片的量子點。
如圖所示雷射照明的納米光學探針的示意圖，該探針研究了二維半導體二硒化鎢（WSe2；綠色和黃色的球）的應變納米氣泡。單層WSe2位於氮化硼層上（藍色和灰色球）。
論文主導之一、哥倫比亞大學機械工程學教授、詹姆斯·舒克（James Schuck）說，「我們的發現非常令人興奮，因為這意味著我們現在可以將單光子發射器放置在所需的任何位置，並且只需在特定位置彎曲或拉緊材料即可調整其特性，例如發射光子的顏色。」 「知道在何處以及如何調諧單光子發射器，對於創建用於量子計算機甚至是模擬物理現象而無法用當今計算機建模的物理現象的所謂「量子」仿真器至關重要。
諸如量子計算機和量子傳感器之類的量子技術的發展是一個快速發展的研究領域，因為研究人員想出了如何利用量子物理學的獨特性質來創建比現有技術更高效、更快、更靈敏的設備。例如，使具有加密性能的量子信息將更加安全。
光由離散的稱為光子的能量包組成，基於光的量子技術依賴於單個光子的創建和操縱。蒙大拿州立大學物理學教授，研究論文作者之一、尼古拉斯·鮑裡斯（Nicholas Borys）指出：「例如，一個典型的綠色雷射指示器僅需按一下按鈕，便每秒發出10萬億個光子。」 「但是，開發僅需通過開關即可產生單個可控光子的設備非常困難。」
五年來研究人員已經知道，超薄二維材料中存在單光子發射器。他們的發現引起了極大的興奮，因為與大多數其他單光子發射器相比，二維材料中的單光子發射器可以更容易地進行調製，並且更易於集成到設備中。但是沒有人認知導致這些二維材料中單光子發射的潛在材料特性。
去年，德國不萊梅大學理論物理研究所教授弗蘭克·賈恩克（Frank Jahnke）小組發表了一篇論文，該論文對氣泡中的應變如何導致皺紋和單光子發射的局部狀態進行了理論分析。專注於從納米結構和界面產生的傳感和工程現象的該研究團隊立刻對此感到興趣。研究團隊希望專注於微小的納米級皺紋，這些皺紋以甜甜圈的形狀圍繞這些超薄二維層中存在的形成氣泡。這些氣泡通常是夾在兩層二維材料之間的小流體或氣體囊，會在材料中產生應變並導致起皺。
如圖所示原子力顯微鏡圖像，顯示在二維半導體WSe2的單層（1L-WSe2）和絕緣材料六方氮化硼（hBN）層之間形成的納米氣泡。左側WSe2層自身折回，形成一個雙層（2L-WSe2），其中包含其他氣泡和皺紋。
在二維材料領域研究這些單光子發射器的起源時面臨重大挑戰：發出感興趣的光的納米級應變區域要小得多，大約比一根頭髮還小5萬倍，這是任何傳統的光學顯微鏡都無法解決的。
研究人員表示，「這使得很難理解材料中到底是什麼導致了單光子發射：僅僅是高應變？還是由於隱藏在應變區域內的缺陷引起的？」 「需要光線來觀察這些狀態，但是其尺寸是如此之小，以至於無法用標準顯微鏡研究。」
該團隊與哥倫比亞納米研究所的其他實驗室合作，利用了他們數十年的納米級研究專業知識，使用了先進的光學顯微鏡技術，包括其新的顯微鏡功能，不僅可以觀察納米氣泡，甚至可以觀察納米氣泡內部。他們先進的「納米光學」顯微鏡技術（即「納米鏡」）使他們能夠以約10納米的解析度對這些材料成像，而傳統光學顯微鏡可以達到約500納米的解析度。
加州大學伯克利分校物理學教授，勞倫斯伯克利國家實驗室能源科學副實驗室主任、傑弗裡·內頓表示：「原子級缺陷通常歸因於這些材料中的局部發光源。」 「這項工作的重點是，即單獨的應變而不需要原子級缺陷，可能對於從低功率發光二極體到量子計算機的應用產生重大影響。」
舒克指出：「我們的結果意味著，完全可調製的室溫單光子發射器現在就在我們的掌握之中，為可控且實用的量子光子器件鋪平了道路。」 「這些設備可以成為量子技術的基礎，量子技術將深刻改變我們所知道的計算、傳感和信息技術。」
該最新研究論文結果發表在今天的《自然》雜誌的「納米技術」分刊上。
參考：Imaging strain-localized excitons in nanoscale bubbles of monolayer WSe2 at room temperature, Nature Nanotechnology (2020). DOI: 10.1038/s41565-020-0730-5