哥伦比亚大学工程与应用科学学院和蒙大拿大学的研究人员今天报告说，他们发现在二硒化钨（WSe2）的二维材料中施加足够的应变，会产生可以产生单光子发射器的局部状态。利用过去三年研究团队所开发的先进的光学显微镜技术，该团队首次能够对这些状态进行直接成像，揭示出即使在室温下它们也是高度可调制的，并且可以作为密闭的半导体发光碎片的量子点。

如图所示激光照明的纳米光学探针的示意图，该探针研究了二维半导体二硒化钨（WSe2；绿色和黄色的球）的应变纳米气泡。单层WSe2位于氮化硼层上（蓝色和灰色球）。

论文主导之一、哥伦比亚大学机械工程学教授、詹姆斯·舒克（James Schuck）说，“我们的发现非常令人兴奋，因为这意味着我们现在可以将单光子发射器放置在所需的任何位置，并且只需在特定位置弯曲或拉紧材料即可调整其特性，例如发射光子的颜色。” “知道在何处以及如何调谐单光子发射器，对于创建用于量子计算机甚至是模拟物理现象而无法用当今计算机建模的物理现象的所谓“量子”仿真器至关重要。

诸如量子计算机和量子传感器之类的量子技术的发展是一个快速发展的研究领域，因为研究人员想出了如何利用量子物理学的独特性质来创建比现有技术更高效、更快、更灵敏的设备。例如，使具有加密性能的量子信息将更加安全。

光由离散的称为光子的能量包组成，基于光的量子技术依赖于单个光子的创建和操纵。蒙大拿州立大学物理学教授，研究论文作者之一、尼古拉斯·鲍里斯（Nicholas Borys）指出：“例如，一个典型的绿色激光指示器仅需按一下按钮，便每秒发出10万亿个光子。” “但是，开发仅需通过开关即可产生单个可控光子的设备非常困难。”

五年来研究人员已经知道，超薄二维材料中存在单光子发射器。他们的发现引起了极大的兴奋，因为与大多数其他单光子发射器相比，二维材料中的单光子发射器可以更容易地进行调制，并且更易于集成到设备中。但是没有人认知导致这些二维材料中单光子发射的潜在材料特性。

去年，德国不来梅大学理论物理研究所教授弗兰克·贾恩克（Frank Jahnke）小组发表了一篇论文，该论文对气泡中的应变如何导致皱纹和单光子发射的局部状态进行了理论分析。专注于从纳米结构和界面产生的传感和工程现象的该研究团队立刻对此感到兴趣。研究团队希望专注于微小的纳米级皱纹，这些皱纹以甜甜圈的形状围绕这些超薄二维层中存在的形成气泡。这些气泡通常是夹在两层二维材料之间的小流体或气体囊，会在材料中产生应变并导致起皱。

如图所示原子力显微镜图像，显示在二维半导体WSe2的单层（1L-WSe2）和绝缘材料六方氮化硼（hBN）层之间形成的纳米气泡。左侧WSe2层自身折回，形成一个双层（2L-WSe2），其中包含其他气泡和皱纹。

在二维材料领域研究这些单光子发射器的起源时面临重大挑战：发出感兴趣的光的纳米级应变区域要小得多，大约比一根头发还小5万倍，这是任何传统的光学显微镜都无法解决的。

研究人员表示，“这使得很难理解材料中到底是什么导致了单光子发射：仅仅是高应变？还是由于隐藏在应变区域内的缺陷引起的？” “需要光线来观察这些状态，但是其尺寸是如此之小，以至于无法用标准显微镜研究。”

该团队与哥伦比亚纳米研究所的其他实验室合作，利用了他们数十年的纳米级研究专业知识，使用了先进的光学显微镜技术，包括其新的显微镜功能，不仅可以观察纳米气泡，甚至可以观察纳米气泡内部。他们先进的“纳米光学”显微镜技术（即“纳米镜”）使他们能够以约10纳米的分辨率对这些材料成像，而传统光学显微镜可以达到约500纳米的分辨率。

加州大学伯克利分校物理学教授，劳伦斯伯克利国家实验室能源科学副实验室主任、杰弗里·内顿表示：“原子级缺陷通常归因于这些材料中的局部发光源。” “这项工作的重点是，即单独的应变而不需要原子级缺陷，可能对于从低功率发光二极管到量子计算机的应用产生重大影响。”

舒克指出：“我们的结果意味着，完全可调制的室温单光子发射器现在就在我们的掌握之中，为可控且实用的量子光子器件铺平了道路。” “这些设备可以成为量子技术的基础，量子技术将深刻改变我们所知道的计算、传感和信息技术。”

该最新研究论文结果发表在今天的《自然》杂志的“纳米技术”分刊上。

参考：Imaging strain-localized excitons in nanoscale bubbles of monolayer WSe2 at room temperature, Nature Nanotechnology (2020). DOI: 10.1038/s41565-020-0730-5

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