微小的气泡使量子飞跃：Quantum Technologies和未来光子电路的关键突破

激光照射纳米光学探针的示意图，研究了钨丁烯（WSE2;绿色和黄色球）的紧张纳米胶质，是二维半导体。单层WSE2坐在一层氮化硼（蓝色和灰色球）上。

使用复杂的光学显微镜技术，哥伦比亚工程师首先证明了2D材料中足够的应变可以产生单光子发射器，键入量子技术和未来的光子电路。

哥伦比亚工程和蒙大拿州立大学的研究人员今天已经发现，他们发现将足够的菌株放置在2D材料 - 钨酶（WSE2）中 - 可产生单光子发射器的局部状态。在过去3年中，使用在哥伦比亚在哥伦比亚开发的复杂的光学显微镜技术，该团队能够首次直接通过这些状态进行映像这些状态，揭示即使在室温下，它们也是高度可调的，充当量子点，紧密限制了一系列的半导体发光。

“我们的发现非常令人兴奋，因为它意味着我们现在可以无论我们想要的任何位置都可以定位一个单光子发射器，并通过在特定位置的弯曲或紧张材料的情况下调整其性质，例如发出的光子的颜色，” James Schuck表示，机械工程副教授，他在2020年7月13日在自然纳米技术上发表了该研究。“知道单光子发射器的位置以及如何调整单光子发射器对于在量子计算机中使用的量子光学电路是必不可少的，甚至在所谓的”量子“模拟器中，模仿物理现象的模仿与当今的计算机模拟太复杂。”

开发Quantum计算机和量子传感器等量子技术是一个快速发展的研究领域，作为研究人员如何使用量子物理学的独特属性来创建能够更高效，更快，更敏感而不是现有技术的设备。例如，量子信息思考加密的消息 - 将更安全。

光由被称为光子的离散的能量包组成，并且基于光的量子技术依赖于近光子的创建和操纵。“例如，典型的绿色激光指针每秒发出超过1016（10千分之一）的光子，只需按一下按钮，”蒙大拿州立大学州立大学的物理学助理教授和这项新研究的CO-PI。“但是开发设备，可以生产仅具有开关翻转的单个可控光子的设备非常困难。”

研究人员已知五年来，单光子发射器存在于超薄2D材料中。他们的发现受到了很多兴奋的欢迎，因为2D材料中的单光子发射器可以更容易调整，更容易集成到比大多数其他单光子发射器的装置中。但没有人理解导致这些2D材料中的单光子发射的潜在材料特性。“我们知道单光子发射器存在，但我们不知道为什么，”肖克说。

2019年，德国大学理论物理研究所教授的一篇论文从德国大学的理论物理研究所教授出来，这是了解泡沫中的应变如何导致单光子发射的皱纹和局部状态。Schuck，他们专注于感应和工程现象从纳米结构和界面出现，立即与Jahnke合作。他和海湾想要专注于微小的纳米级皱纹，这些皱纹形状的圆润形状，这些圆形围绕这些超薄2D层中存在的气泡。气泡，通常小的流体或气体捕获在两层2D材料之间，在材料中产生应变并导致皱纹。

Schuck的小组和2D材料领域，在研究这些单光子发射器的起源时面临着主要挑战：发出感兴趣的光明的纳米级应变区比a的厚度小得多大约50,000倍人的毛发 - 可以用任何常规的光学显微镜解析。

“这使得很难理解物质的专门导致单光子发射：它只是高菌株吗？它是隐藏在紧张区域内的缺陷吗？“该研究的领先作家汤姆达灵顿，谁是博克的博克和前研究生研究员。“你需要光来观察这些状态，但它们的尺寸如此之小，以至于他们无法用标准显微镜进行研究。”

该团队与哥伦比亚纳米研究所的其他实验室合作，从纳米级研究中提升了数十年的长期专业知识。它们使用复杂的光学显微镜技术，包括它们的新显微镜能力，看起来不仅仅是在纳米气泡，但即使在它们内部。它们的先进“纳米光学”显微镜技术 - 它们的“纳米镜” - 以〜10nm分辨率以约10nm的分辨率图像以常规光学显微镜实现的约500nm分辨率相比。

许多研究人员认为，缺陷是2D材料中单光子发射器的源极，因为它们通常是诸如钻石的3D材料。为了排除缺陷的作用并表明单独的应变可以负责2D材料中的单光子发射器，Shuck的群体研究了Jim Hone集团在哥伦比亚工程中开发的超级缺陷材料，部分NSF资助的材料研究科学和工程中心。他们还利用了可编程量子材料中心（DOE能量前沿研究中心）在可编程量子材料中心（DOE能量前沿研究中心）中开发的新双层结构，该结构在平台中提供了明确定义的气泡，该平台易于使用Schuck的光学“纳米镜”。

“原子造型缺陷通常归因于这些材料中的本地化光源来源，”UC伯克利和能源科学副实验室主任的物理学教授Jeffrey Neaton说，Lawrence Berkeley国家实验室没有参与该研究。“在这种情况下强调单独的菌株的事实，而无需原子尺度缺陷，可能影响从低功率发光二极管到量子计算机的应用。”

Schuct，Borys和他们的团队现在正在探索如何用来精确地定制这些单光子发射器的特定特性，并开发用于未来量子技术的这些发射器的工程可寻址和可调谐阵列的路径。

“我们的结果意味着完全可调，房间温度单光子发射器现在在我们的掌握中，为可控和实用的光子电气设备铺平道路，”肖克观察。“这些设备可以是量子技术的基础，以便在我们知道的情况下深刻地改变计算，感知和信息技术。”

参考：“在室温下的纳米级WeSe2的纳米级泡沫成像局部温度”的成像局部温度“通过Thomas P. Darlington，Christian Carmesin，Matthias Florian，Emanuil Yanev，Obafunso Ajayi，Jenny Ardelean，Daniel A. Rhodes，Augusto Ghiotto，Andrey Krayev，Kenji Watanabe ，Takashi Taniguchi，Jeffrey W. Kysar，Abhay N. Pasupathy，James C. Hone，Frank Jahnke，Nicholas J. Borys和P. James Schuck，7月13日2020年7月13日，Nature Nanotechnology.doi：
10.1038 / s41565-020-0730-5