專訪：缺陷如何促進(jìn)二維材料成為單光子發(fā)射器

日前，《物理世界》雜志有幸采訪了來(lái)自萊斯大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的副教授Shengxi Huang。在她的實(shí)驗(yàn)室里，德國(guó)PIcoQuant公司提供的高性能MicroTime 100光致發(fā)光顯微鏡和FluoTime 300熒光光譜儀正發(fā)揮著關(guān)鍵作用，助力團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了高效的單光子發(fā)射源二維材料。

她和實(shí)驗(yàn)室成員在一起，共通研究作為單光子發(fā)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(guó)萊斯大學(xué)的Shengxi Huang教授卻對(duì)二維材料這一特殊領(lǐng)域情有獨(dú)鐘。這類材料的獨(dú)特之處在于其僅有一個(gè)原子層的厚度，堪稱真正的二維結(jié)構(gòu)。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(wèn)世以來(lái)，其他各種二維材料，特別是氮化硼，也相繼問(wèn)世。

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

她在萊斯大學(xué)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(xué)家，有的是工程師，有的則具有材料科學(xué)或化學(xué)背景。但他們都對(duì)了解量子材料的光學(xué)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(shí)解釋的那樣，Picoquant 的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備在幫助他們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面起著至關(guān)重要的作用。

為什么你對(duì)二維材料如此著迷？
為電氣工程領(lǐng)域的科研人員，我對(duì)二維材料的著迷源于其獨(dú)特的應(yīng)用潛力。雖然一些電氣工程師專注于通信和計(jì)算等領(lǐng)域，但像我這樣的人則更感興趣于如何利用基礎(chǔ)物理來(lái)構(gòu)建有用的設(shè)備，例如半導(dǎo)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(fā)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(guò)渡金屬二硫化物，它們由一層過(guò)渡金屬原子夾在兩層硫族原子——硫、硒或碲——之間組成。最常見(jiàn)的例子之一是二硫化鉬，其單層形式是在鉬層的兩側(cè)各有一層硫。在多層二硫化鉬中，三層之間的范德華力相對(duì)較弱，這意味著這種材料被廣泛用作潤(rùn)滑劑——就像石墨一樣，石墨是石墨烯的多層版本。

為什么你認(rèn)為過(guò)渡金屬二硫化物很有趣？
過(guò)渡金屬二硫化物具有一些非常有用的光電特性。特別是，當(dāng)組成“激子”的電子和空穴復(fù)合時(shí)，它們會(huì)發(fā)光。由于這些二硫化物非常薄，它們發(fā)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(nèi)部深處產(chǎn)生的，無(wú)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(shè)備上，例如波導(dǎo)和空腔。

過(guò)渡金屬二硫化物材料在電子應(yīng)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(lái)，我們一直遵循摩爾定律，硅基晶體管變得越來(lái)越小，但我們很快就會(huì)達(dá)到一個(gè)極限，無(wú)法再進(jìn)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(dòng)速度非常緩慢。相比之下，在二維過(guò)渡金屬二硫化物中，電子遷移率實(shí)際上可以高于相同厚度的硅，這使它們成為未來(lái)晶體管應(yīng)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(xué)。它們攜帶0和1的信息，基本上充當(dāng)一個(gè)量子比特，提供一個(gè)非常安全的通信信道。單光子對(duì)量子傳感甚至量子計(jì)算也很有意義。但至關(guān)重要的是，你需要有一個(gè)高度純凈的光子源。你不希望它們與 “經(jīng)典光子 ”混在一起，因?yàn)榻?jīng)典光子--比如來(lái)自太陽(yáng)的光子--是成串發(fā)射的，否則你試圖執(zhí)行的任務(wù)就無(wú)法完成。

你正在采用哪些方法來(lái)改進(jìn)作為單光子發(fā)射器的二維材料？
我們通過(guò)在二維材料中引入原子缺陷來(lái)賦予它與塊體不同的光學(xué)特性。有幾種方法可以做到這一點(diǎn)。一種是用離子或電子照射樣品，這可以將個(gè)別原子撞擊出來(lái)，產(chǎn)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(guò)一種叫做光致發(fā)光的技術(shù)來(lái)探測(cè)缺陷發(fā)射，這種技術(shù)主要是用激光束照射材料。激光將電子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，促使它們發(fā)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(lái)自單個(gè)缺陷發(fā)射的單光子。

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成員

你在實(shí)驗(yàn)室里做了哪些實(shí)驗(yàn)？
我們首先在原子層面上對(duì)材料進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，引入正確的缺陷類型。還嘗試對(duì)材料施加應(yīng)力，這可以增加一次發(fā)射的單光子數(shù)量。一旦確認(rèn)正確的位置即可引入了正確的缺陷，并通過(guò)光致發(fā)光等光學(xué)測(cè)量來(lái)檢查材料是否正在發(fā)射單光子。最后，我們對(duì)單光子的純度進(jìn)行鑒定——理想情況下，它們不應(yīng)與經(jīng)典光子混合，但實(shí)際上，永遠(yuǎn)不可能有100% 純度的光源。由于單光子是逐個(gè)發(fā)射的，它們與經(jīng)典光具有不同的統(tǒng)計(jì)特性。同時(shí)，還要檢查源的亮度和壽命、效率、穩(wěn)定性以及光子是否偏振。事實(shí)上，我們有一個(gè)反饋循環(huán)：我們可以在原子水平上進(jìn)行哪些改進(jìn)，以獲得我們想要的特性？

給樣品添加缺陷困難嗎？
這相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。如果你想要在一個(gè)可能只有一平方微米的區(qū)域內(nèi)添加一個(gè)缺陷，就需要非常精細(xì)地控制原子結(jié)構(gòu)。由于二維材料在原子結(jié)構(gòu)上很薄，而且非常脆弱，因此難度更大。如果工程設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)意外引入其他類型的缺陷，從而改變?nèi)毕莸陌l(fā)射。

你使用什么技術(shù)來(lái)確認(rèn)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(fā)射光譜或掃描電子顯微鏡。相反，最好和最實(shí)用的方法是看看缺陷是否產(chǎn)生了理論預(yù)測(cè)的正確類型的光學(xué)發(fā)射。但即使這樣也很具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槲覀兣c計(jì)算小組合作進(jìn)行的計(jì)算可能并不完全準(zhǔn)確。

PicoQuant設(shè)備給你提供哪些幫助？
我們有兩臺(tái)主要設(shè)備——MicroTime 100 光致發(fā)光顯微鏡和FluoTime 300熒光光譜儀。這些設(shè)備被定制成Hanbury Brown Twiss干涉儀，用于測(cè)量單光子源的純度。還使用顯微鏡和光譜儀來(lái)表征光致發(fā)光光譜和壽命。本質(zhì)上，如果材料發(fā)出光，我們就可以計(jì)算出發(fā)射光在消逝之前需要多長(zhǎng)時(shí)間。

你是直接購(gòu)買(mǎi)的現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備嗎？
關(guān)于設(shè)備采購(gòu)的問(wèn)題，我們并非直接購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。這套系統(tǒng)更像是一個(gè)定制化的解決方案，由多個(gè)專業(yè)組件——包括激光器、顯微鏡、探測(cè)器等——根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行系統(tǒng)集成。在與PicoQuant公司合作過(guò)程中，我們?cè)敿?xì)溝通了具體的實(shí)驗(yàn)要求，經(jīng)過(guò)多次技術(shù)討論和方案優(yōu)化，最終打造出這套完全符合我們研究需求的定制設(shè)備。這種量身定制的優(yōu)勢(shì)在于：一方面能夠支持我們進(jìn)行多種類型的精密測(cè)量，另一方面也確保了系統(tǒng)的高通量測(cè)量能力，這對(duì)我們開(kāi)展重復(fù)性實(shí)驗(yàn)研究至關(guān)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(shuō)，每200個(gè)光子中只有三個(gè)是經(jīng)典光子。對(duì)于過(guò)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(jì)劃是什么？
關(guān)于下一步的研究計(jì)劃，我們將重點(diǎn)關(guān)注以下三個(gè)方向：首先，繼續(xù)優(yōu)化單光子發(fā)射器的性能，特別是探索如何精確調(diào)控不同波長(zhǎng)的單光子發(fā)射；其次，深入研究這些二維材料在量子傳感領(lǐng)域的應(yīng)用潛力；最后，我們將嘗試通過(guò)精確控制特定原子缺陷，構(gòu)建高質(zhì)量單光子源，將其與它們的自旋糾纏起來(lái)。這樣，發(fā)射器就能以比經(jīng)典傳感方法更好的性能監(jiān)測(cè)本地磁環(huán)境。

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

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