科學家利用激光誘導有序褶皺構筑高性能單光子源

單色性好、亮度高及穩定性優秀的單光子源是實現光學量子計算和量子通信的重要前提。

近日，國家納米科學中心研究員劉前團隊、北京化工大學副教授王聰團隊及南洋理工大學教授高煒博團隊開展合作，在二維半導體應變誘導單光子源的研究上取得進展，實現了激光誘導的二維半導體的大面積、陣列化納米應變結構的可控制備。相關研究成果發表在《物質》上。

近年來，科學家在二維過渡金屬二硫化物材料中發現了單光子發射現象，為提高單光子發射器的性能提供了新的途徑。然而，到目前為止，同時具有高亮度、高穩定性和優秀單色性的單光子源尚未能實現，限制了二維半導體單光子源在量子計算和量子通信中的應用。

目前基于二維材料的單光子發射器，都是通過將二維半導體覆蓋在納米柱狀的陣列上所構成。其結構簡單易于制造，但卻存在一些難以克服的困難，這些困難造成單光子源單色性和穩定性較差、強度不高。

科研人員介紹，“褶皺”應變作為二維半導體的應變方式，具有高靈敏、低成本、應變集中等特點，有望為基于應變誘導的二維半導體單光子源的構筑提供新的途徑。

在最新發表的論文中，科研人員通過“自上而下”和“自下而上”技術的結合，實現了精準可控的二維材料局域大應變，建立了一種多級次、有序褶皺應變結構的制備新方法。

他們通過精確設計褶皺應變結構的空間分布和應變梯度，獲得了單層硒化鎢（WSe2）的局部大應變和單一最大應變點并消除了二維半導體與底層之間的隨機滑移，實現了單光子源同時具有高亮度（飽和計數達2×106 counts/s）、高穩定性和優異的單色性（單色發射概率約為70%）。

在業內專家看來，這項研究為基于應變工程的高性能單光子源設計和調控及可尋址組裝提供了理論依據和實踐驗證。

南開大學、國家納米科學中心聯合培養博士生陳勝垚，北京化工大學副教授王聰，南洋理工大學博士后蔡洪冰為論文共同第一作者。王聰、蔡洪冰、高煒博、劉前為論文通訊作者。

硒化鎢（WSe2）有序褶皺單元（納米鼓包）的生長和單光子表征示意圖。科研團隊供圖

硒化鎢（WSe2）納米鼓包單光子發射器的光學表征圖。科研團隊供圖

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