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科学封面(第13期)——室温下,让光子“单行”

编辑:xdx 来源:浙江大学 时间:2017年11月22日 访问次数:909  源地址

高品质的单光子源是实现光量子信息技术的基础。浙江大学光电学院方伟与化学系金一政、彭笑刚合作,首次实现了室温下基于胶体量子点的电驱动高纯度单光子源,为研发实用化、集成化的单光子源开辟出一条新路。

研究论文Electrically-driven single-photon sources based on colloidal quantumdots with near-optimal antibunching at room temperature(doi: 10.1038/s41467-017-01379-6)于2017年10月26日发表于Nature Communications。论文第一作者为博士生林星、戴兴良、濮超丹。

单光子源与我们日常所见的传统光源大为不同。方伟副教授的实验室主页上写着一句话:“太阳用连续的光谱展示多彩的天地万物,我们用一两个光子探索神奇的量子世界。”太阳光、电灯等发出的都是“抱团”的光子,而单光子源顾名思义,它在确定的时间内最多发射一个光子。光子“单行”,才能实现量子通信、光量子计算机等新一代技术所依赖的量子效应。

设计制造出可集成化、使用方便的理想的单光子源一直是科学家们追求的目标。在凝聚态领域,目前主流的方法有自组织量子点与金刚石色心等两种体系,但面向实际应用,仍然充满着局限与巨大挑战。2014年起,方伟、金一政、彭笑刚等学者联手,另辟蹊径,尝试用胶体量子点来制造新型的单光子源。

图:单光子源结构示意图

  

胶体量子点是一种已知的发光性能极好的纳米晶体材料。科学家需要实现的目标是:如何让单个的量子点在室温下通过电激发,高效地发出一个光子。在量子点中,如果电子与空穴复合,就会发出光子。由于通常状态下,半导体材料中的电子比空穴“跑”得快得多,想要在单个量子点中制造和谐的“复合”,必须想办法平衡两者速率。 

浙江大学现代光学仪器国家重点实验室里,记者看到了一片片指甲盖大小的透明器件,厚度不到一毫米的结构中,包含了科学家巧妙的设计:他们将单个的胶体量子点用绝缘层包裹起来。这个绝缘层放慢了电子的“步伐”,同时也阻止了电子与空穴的直接复合而产生“杂光”。在2.6v电压的驱动下,单个的胶体量子点成功被激发,屏幕上看到的针尖大小的亮点,正是胶体量子点发出的一个个“单行”的光子。这一巧妙的设计,成功保证了高纯度单光子的产生。

 

 

左图:在显微镜下观察到的电驱动量子点荧光,每个亮点代表单个量子点

右图:二阶关联函数测量值表明单光子的纯度非常高

  

方伟介绍,制备新型量子光源不需要苛刻工作环境,样品的制备可以通过便捷的溶液旋涂法完成的。在光量子技术实用化、集成化的需求面前,这一新型光源纯度高、制备工艺简单、工作电压低等特征展现出了特别的优势。研究团队认为,随着目前胶体量子点合成技术的快速发展,他们将进一步改进技术路线,并有信心为真正实现量子信息应用做出贡献。

  

(科学撰稿人周炜/封面摄影:朱原之/图:课题组)

  

媒体报道: 

新华社   http://news.xinhuanet.com/2017-11/21/c_1121987290.htm 

科技日报   http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2017-11/21/content_382349.htm?div=-1 

浙江新闻   http://news.xinhuanet.com/2017-11/21/c_1121987290.htm


  


  

  

  


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