通過(guò)扭曲超薄晶體和運(yùn)用電子束，研究人員在原子尺度實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子光前所未有的精確控制。

想象一下，一個(gè)僅由幾個(gè)原子構(gòu)成的微型開關(guān)，卻能每次精準(zhǔn)釋放一個(gè)光子。這些被稱為量子發(fā)射器的微型開關(guān)，被認(rèn)為是未來(lái)量子計(jì)算機(jī)、超安全通信網(wǎng)絡(luò)和超高靈敏度傳感器等技術(shù)的核心組件。多年來(lái)，科學(xué)家們始終難以完全理解和控制它們，但這一困境即將被打破。近日，美國(guó)研究人員闡明了在超薄材料內(nèi)部以原子精度識(shí)別、設(shè)計(jì)并定位單光子源的全過(guò)程。

這一突破掃除了量子材料科學(xué)領(lǐng)域最大的障礙之一，使實(shí)用化量子設(shè)備離現(xiàn)實(shí)更近一步。

量子發(fā)射器之謎

量子發(fā)射器通過(guò)按需釋放單光子（光的單個(gè)能量包）來(lái)工作。這種能力至關(guān)重要，因?yàn)榱孔蛹夹g(shù)完全依賴于對(duì)光與信息的絕對(duì)控制。難題始終在于觀測(cè)與控制：產(chǎn)生這些發(fā)射器的原子級(jí)缺陷極其微小且難以觀測(cè)?？茖W(xué)家過(guò)去只能單獨(dú)研究其發(fā)光特性或原子結(jié)構(gòu)，無(wú)法同時(shí)觀測(cè)二者。

"研究量子發(fā)射器的挑戰(zhàn)在于，其光學(xué)行為由原子結(jié)構(gòu)決定，而原子結(jié)構(gòu)又極難直接觀測(cè)，"該研究的作者之一、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家溫建國(guó)解釋道。這一根本性局限長(zhǎng)期阻礙著量子發(fā)射器的工程化應(yīng)用，而新研究通過(guò)創(chuàng)新方法終于打破了這種兩難局面。

逐原子破解難題

研究團(tuán)隊(duì)將目光投向六方氮化硼——這種僅數(shù)個(gè)原子厚的超薄二維晶體已知能產(chǎn)生量子發(fā)射器。他們使用了一臺(tái)名為QuEEN-M（量子發(fā)射器電子納米材料顯微鏡）的強(qiáng)大定制儀器，這臺(tái)先進(jìn)顯微鏡將原子級(jí)成像與陰極熒光光譜技術(shù)相結(jié)合。

簡(jiǎn)而言之，研究人員向材料發(fā)射聚焦電子束。當(dāng)電子擊中晶體缺陷時(shí)，該缺陷會(huì)發(fā)光。通過(guò)分析發(fā)出的光的顏色與亮度，科學(xué)家能精確鎖定對(duì)應(yīng)的原子結(jié)構(gòu)。

這種方法解決了長(zhǎng)期存在的矛盾：通常研究發(fā)光需要較厚樣品，而觀測(cè)原子結(jié)構(gòu)需要超薄樣品。QuEEN-M讓研究人員能同時(shí)完成兩項(xiàng)任務(wù)，將發(fā)光特性與特定原子缺陷直接關(guān)聯(lián)。

不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還有另一關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：將六方氮化硼層按特定角度扭曲會(huì)產(chǎn)生特殊的"扭曲界面"，能使量子發(fā)射器的光信號(hào)強(qiáng)度最高提升120倍。增強(qiáng)的信號(hào)讓定位精度突破10納米，研究人員借此成功解析出藍(lán)色量子發(fā)射器的原子結(jié)構(gòu)——原來(lái)是晶體內(nèi)部垂直堆疊的兩個(gè)碳原子構(gòu)成的碳二聚體。

"當(dāng)我們能將原子結(jié)構(gòu)與其發(fā)光特性關(guān)聯(lián)時(shí)，就為精確設(shè)計(jì)量子發(fā)射器打開了大門，"研究作者、阿貢實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家托馬斯·蓋奇指出，"這意味著我們現(xiàn)在可以通過(guò)電子束按需制造并調(diào)控它們。"

量子領(lǐng)域的重大飛躍

這項(xiàng)工作標(biāo)志著量子發(fā)射器研究從偶然發(fā)現(xiàn)邁向定向設(shè)計(jì)的重大轉(zhuǎn)折。因?yàn)閷喂庾釉淳_定位到所需位置，對(duì)于構(gòu)建可擴(kuò)展的量子器件至關(guān)重要。基于精確定位量子發(fā)射器的芯片將能更高效地處理信息、安全傳輸數(shù)據(jù)，并以最小損耗放大信號(hào)。

盡管取得突破，挑戰(zhàn)依然存在。目前該技術(shù)依賴高度專業(yè)化的顯微鏡，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。未來(lái)研究將聚焦于提升方法的可擴(kuò)展性，并探索不同原子結(jié)構(gòu)如何影響光子行為。

這項(xiàng)研究已發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊。

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