美国研究人员在单层半导体上直接形成量子光源,美国海军研究实验室联合空军研究实验室共同开发出量子直写方法

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[www.9195.com,据美国海军研究实验室官网2019年2月13日报道]美国海军研究实验室联合空军研究实验室开发出将量子光源直接写入单层半导体的方法。单光子发射器或称量子发射器是一系列量子技术的关键组成部分,包括量子计算、量子安全通信、量子传感器和量子计量等。

[据物理学组织网站2019年02月14日报道]美国海军研究实验室(NRL)和空军研究实验室(AFRL)的科学家们已经开发出一种可以在单层半导体材料直接形成量子光源的方法。单光子发射器(SPEs)或量子发射器是新兴量子技术的关键组成部分,包括计算、安全通信、传感和计量。

与传统发光二极管同时发射数十亿光子形成稳定光流不同,理想的SPE在同一时刻只产生一个光子,且每次发射的光子之间无法区分,这是光量子技术发展的基础。此外,这种能力应当在一种可重复精确放置SPE的上实现。这种材料或平台应具有扩展性,且与现有半导体芯片制造工艺兼容。

传统的发光二极管会同时发射出数十亿的光子,从而形成稳定的光子流。理想的单光子发射器不同于传统发光二极管,它每次只发射出一个光子,且每个光子之间都无法区分,这些特性是光量子技术发展不可或缺的。此外,这些特性的实现需要在一个精确、可重复放置单光子发射器的材料平台,并可以与现有的半导体芯片制造技术相兼容。

NRL的研究人员使用原子力显微镜在聚合物薄膜衬底上的单层WSe2上制造纳米级凹痕。在纳米凹痕周围会产生一个限域应变场,从而在WSe2中形成单光子发射态。AFRL对这种发射的时域测量实验证实这些发射态具有单光子性质。这些发射器明亮、单光子产生速率高、光谱稳定,满足新兴应用的要求。

美国海军研究实验室(NRL)的科学家使用原子力显微镜(AFM)在以聚合物薄膜为衬底的二硒化钨单分子层材料上制造纳米级的凹陷或凹痕。凹痕附近产生局部化的高应变场,应变场导致二硒化钨产生单光子发射态。空军研究实验室(AFRL)对这种光发射进行时间相关的测量证实了这些单光子的性质。这些单光子发射器所发出的光子频率高、光谱稳定,符合新兴应用技术的关键要求。

资深科学家兼首席研究员Berend Jonker博士表示,这种量子光源制作方法可以实时设计以及准确的放置单光子发射器,方便与光子波导、空腔和等离子体结构耦合。同时,纳米级的凹痕技术将使阵列或模式化的量子发射器实现晶圆级别的制造。

这项研究的第一作者Matthew Rosenberger博士指出,除了能够灵活的放置单光子发射器以外,这项研究还提供了在纳米精度的二维材料上传递应变的通用方法,为二维器件应变工程的进一步研究和应用提供了宝贵的经验。

研究结果为二维材料作为单光子发射器的固态主机铺平了道路,应用在国防部的相关任务中,如安全通信,传感和量子计算等。这些应用程序使远程国防部部队之间的通信成为可能,并且通信不易受到窃听或解密,确保了作战人员的安全。

片上量子计算提升了芯片的性能,可以快速的分析传感器阵列获取的大量数据,而不需要将数据进行传输,降低了带宽的要求。研究结果发表在2019年1月的《ACS Nano》上。

研究小组包括来自美国海军研究实验室(NRL)材料科学与技术部的Matthew Rosenberger博士,Hsun-Jen Chuang博士,Saujan Sivaram博士,Kathleen McCreary博士和Berend Jonker博士;空军研究实验室(AFRL)传感器理事会的Chandriker Kavir Dass博士和Joshua R. Hendrickson博士。Rosenberger和Sivaram在美国海军研究实验室(NRL)具有国家研究委员会奖学金,Chuang在美国海军研究实验室(NRL)具有美国工程教育学会奖学金。

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