專訪：缺陷如何促進二維材料成為單光子發射器

日前，《物理世界》雜志有幸采訪了來自萊斯大學電氣與計算機工程系的副教授Shengxi Huang。在她的實驗室里，德國PicoQuant公司提供的高性能MicroTime 100光致發光顯微鏡和FluoTime 300熒光光譜儀正發揮著關鍵作用，助力團隊開發了高效的單光子發射源二維材料。

她和實驗室成員在一起，共通研究作為單光子發射源二維材料

在我們的三維世界中，即便是最薄的紙張也具有一定的厚度。然而，美國萊斯大學的Shengxi Huang教授卻對二維材料這一特殊領域情有獨鐘。這類材料的獨特之處在于其僅有一個原子層的厚度，堪稱真正的二維結構。石墨烯可能是最著名的例子，它是由碳原子組成的單層六邊形晶格。但自從石墨烯于2004年首次問世以來，其他各種二維材料，特別是氮化硼，也相繼問世。

作為一名電氣工程師， Huang在麻省理工學院獲得博士學位，并在斯坦福大學從事博士后研究，之后在賓夕法尼亞州立大學擔任了五年的助理教授。自2022年起，Huang一直在萊斯大學工作，現在是電氣與計算機工程系、材料科學與納米工程系以及生物工程系的副教授。

她在萊斯大學的研究小組目前有 12 人，包括 8 名研究生和 4 名博士后。他們有的是物理學家，有的是工程師，有的則具有材料科學或化學背景。但他們都對了解量子材料的光學和電子特性以及如何將它們用作生化傳感器等方面有著共同的興趣。正如她在接受《物理世界》雜志采訪時解釋的那樣，Picoquant 的實驗室設備在幫助他們實現這一目標方面起著至關重要的作用。

為什么你對二維材料如此著迷？
為電氣工程領域的科研人員，我對二維材料的著迷源于其獨特的應用潛力。雖然一些電氣工程師專注于通信和計算等領域，但像我這樣的人則更感興趣于如何利用基礎物理來構建有用的設備，例如半導體芯片。我特別感興趣的是利用二維材料制造光電子器件和作為單光子發射器。

你研究哪些類型的二維材料？
我特別感興趣的材料是過渡金屬二硫化物，它們由一層過渡金屬原子夾在兩層硫族原子——硫、硒或碲——之間組成。最常見的例子之一是二硫化鉬，其單層形式是在鉬層的兩側各有一層硫。在多層二硫化鉬中，三層之間的范德華力相對較弱，這意味著這種材料被廣泛用作潤滑劑——就像石墨一樣，石墨是石墨烯的多層版本。

為什么你認為過渡金屬二硫化物很有趣？
過渡金屬二硫化物具有一些非常有用的光電特性。特別是，當組成“激子”的電子和空穴復合時，它們會發光。由于這些二硫化物非常薄，它們發出的大部分光都可以被利用。相比之下，在三維材料中，大部分光是在材料的內部深處產生的，無法穿透到表面之外。因此，這種二維材料非常高效，而且可以很容易地集成到基于芯片的設備上，例如波導和空腔。

過渡金屬二硫化物材料在電子應用方面也具有很大的潛力，特別是作為晶體管中的活性材料。多年來，我們一直遵循摩爾定律，硅基晶體管變得越來越小，但我們很快就會達到一個極限，無法再進一步縮小它們的尺寸，部分原因是電子在非常薄的硅層中移動速度非常緩慢。相比之下，在二維過渡金屬二硫化物中，電子遷移率實際上可以高于相同厚度的硅，這使它們成為未來晶體管應用的一種前景廣闊的材料。

這樣的單光子源可以用于什么？
單光子可用于量子通信和量子密碼學。它們攜帶0和1的信息，基本上充當一個量子比特，提供一個非常安全的通信信道。單光子對量子傳感甚至量子計算也很有意義。但至關重要的是，你需要有一個高度純凈的光子源。你不希望它們與 “經典光子 ”混在一起，因為經典光子--比如來自太陽的光子--是成串發射的，否則你試圖執行的任務就無法完成。

你正在采用哪些方法來改進作為單光子發射器的二維材料？
我們通過在二維材料中引入原子缺陷來賦予它與塊體不同的光學特性。有幾種方法可以做到這一點。一種是用離子或電子照射樣品，這可以將個別原子撞擊出來，產生“空位缺陷”。另一種選擇是使用等離子體，樣品中的原子被等離子體中的原子所取代。

那么你如何研究這些樣品？
我們可以通過一種叫做光致發光的技術來探測缺陷發射，這種技術主要是用激光束照射材料。激光將電子從基態激發到激發態，促使它們發光。由于激光束的直徑約為500-1000 nm，如果缺陷密度合適，我們可以看到來自單個缺陷發射的單光子。

實驗室團隊成員

你在實驗室里做了哪些實驗？
我們首先在原子層面上對材料進行工程設計，引入正確的缺陷類型。還嘗試對材料施加應力，這可以增加一次發射的單光子數量。一旦確認正確的位置即可引入了正確的缺陷，并通過光致發光等光學測量來檢查材料是否正在發射單光子。最后，我們對單光子的純度進行鑒定——理想情況下，它們不應與經典光子混合，但實際上，永遠不可能有100% 純度的光源。由于單光子是逐個發射的，它們與經典光具有不同的統計特性。同時，還要檢查源的亮度和壽命、效率、穩定性以及光子是否偏振。事實上，我們有一個反饋循環：我們可以在原子水平上進行哪些改進，以獲得我們想要的特性？

給樣品添加缺陷困難嗎？
這相當具有挑戰性。如果你想要在一個可能只有一平方微米的區域內添加一個缺陷，就需要非常精細地控制原子結構。由于二維材料在原子結構上很薄，而且非常脆弱，因此難度更大。如果工程設計不當，可能會意外引入其他類型的缺陷，從而改變缺陷的發射。

你使用什么技術來確認缺陷在正確的位置？
由于缺陷濃度如此之低，我們不能使用通常用于表征材料的方法，例如X射線光發射光譜或掃描電子顯微鏡。相反，最好和最實用的方法是看看缺陷是否產生了理論預測的正確類型的光學發射。但即使這樣也很具有挑戰性，因為我們與計算小組合作進行的計算可能并不完全準確。

PicoQuant設備給你提供哪些幫助？
我們有兩臺主要設備——MicroTime 100 光致發光顯微鏡和FluoTime 300熒光光譜儀。這些設備被定制成Hanbury Brown Twiss干涉儀，用于測量單光子源的純度。還使用顯微鏡和光譜儀來表征光致發光光譜和壽命。本質上，如果材料發出光，我們就可以計算出發射光在消逝之前需要多長時間。

你是直接購買的現成標準設備嗎？
關于設備采購的問題，我們并非直接購買現成的標準產品。這套系統更像是一個定制化的解決方案，由多個專業組件——包括激光器、顯微鏡、探測器等——根據我們的實驗需求進行系統集成。在與PicoQuant公司合作過程中，我們詳細溝通了具體的實驗要求，經過多次技術討論和方案優化，最終打造出這套完全符合我們研究需求的定制設備。這種量身定制的優勢在于：一方面能夠支持我們進行多種類型的精密測量，另一方面也確保了系統的高通量測量能力，這對我們開展重復性實驗研究至關重要。

你的樣品有多好？
我們目前使用的最佳單光子源是氮化硼，在室溫下其單光子純度為98.5%。換句話說，每200個光子中只有三個是經典光子。對于過渡金屬二硫化物，在低溫下我們得到了98.3%的純度。

你的下一步計劃是什么？
關于下一步的研究計劃，我們將重點關注以下三個方向：首先，繼續優化單光子發射器的性能，特別是探索如何精確調控不同波長的單光子發射；其次，深入研究這些二維材料在量子傳感領域的應用潛力；最后，我們將嘗試通過精確控制特定原子缺陷，構建高質量單光子源，將其與它們的自旋糾纏起來。這樣，發射器就能以比經典傳感方法更好的性能監測本地磁環境。

文章來源：https://physicsworld.com/a/shengxi-huang-how-defects-can-boost-2d-materials-as-single-photon-emitters/

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