近日，華南師范大學物理與電信工程學院/廣東省量子調控工程與材料重點實驗室副研究員朱起忠與香港大學博士翟大偉、教授姚望合作，在單層過渡金屬硫化物的激子特性方面取得重要研究進展。他們在理論上提出了基于層內激子產生偏振與軌道角動量鎖定的單光子源及其陣列的方案。相關研究發表于國際權威學術期刊Nano Letters。
單光子源在量子信息和量子通訊中具有重要的應用價值。近些年來，研究人員發現單層過渡金屬硫化物（TMD）中的激子可以作為很好的單光子源，具有高度的可集成性和可調控性，并且莫爾周期外勢中的激子普遍被認為可以實現單光子源陣列。這引起了研究人員的廣泛興趣和大量研究。
然而，目前研究的基于TMD的單光子源發出的光子只有偏振自由度，而我們知道光子除了偏振自由度外還有軌道角動量自由度。能否利用TMD中的激子來產生攜帶軌道角動量以及偏振和軌道角動量糾纏的光子呢？如果可以做到，這將在充分利用TMD中單光子源的優勢的基礎上提供一個新的產生內部自由度糾纏的單光子源，預期將在領域內引起廣泛的興趣。
最新研究中，研究人員在考慮TMD層內激子的能谷軌道耦合的基礎上，發現通過利用將TMD鋪在各項同性的納米泡上產生的各向同性的應力束縛勢，應力外勢中的激子本征態具有能谷和軌道角動量糾纏的特性。利用光與激子的耦合理論，他們進一步證明了這樣得到的能谷和軌道角動量糾纏的激子可以被攜帶軌道角動量的光子激發，也可以通過激子復合發出偏振和軌道角動量糾纏的單光子。
研究組又進一步提出，基于轉角氮化硼襯底產生的大周期莫爾外勢，TMD中的帶電激子在此基礎上可以形成發出偏振和軌道角動量糾纏的單光子源的陣列。
該研究工作提出了基于TMD中的激子產生偏振和軌道角動量糾纏的單光子源及其陣列的一種新方案，對基于TMD的單光子源研究起到了推動作用，具有潛在的應用前景。
上述研究得到了國家自然科學基金和廣東省自然科學基金的支持。華南師范大學碩士研究生張迪為該論文第一作者，朱起忠為通訊作者，華南師范大學為第一單位。
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00459
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