刘前团队在激光诱导构筑高性能单光子源研究方面获得新进展

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单色性好、亮度高及稳定性优秀的单光子源是实现光学量子计算和量子通信的重要前提。近年来，在WSe2、WS2和MoTe2等2D-TMD材料中发现了单光子发射现象，为提高单光子发射器的性能提供了新的途径。然而，到目前为止，同时具有高亮度、高稳定性和优秀单色性的单光子源尚未能实现，限制了二维半导体单光子源在量子计算和量子通信中的应用。
       目前基于2D材料的单光子发射器，都是通过将二维半导体覆盖在纳米柱状的阵列上所构成。其结构简单易于制造，但却存在一些难以克服的困难。如二维半导体和纳米柱子无法紧密贴合，造成二维半导体在纳米柱子上的最大应变点不唯一，诱导的单光子源会出现闪烁和波长不唯一（通常在一个波段随机出现数个到数十个波长峰位），造成单光子源单色性和稳定性都很差。此外，这种无法紧密贴合使得二维材料的应变量十分有限，导致了单光子源的强度不高。因此，单色性好、纯度高及稳定性高的单光子源是当前需要克服的难点之一。
       褶皱应变作为二维半导体的应变方式，具有高灵敏、低成本、应变集中等特点，有望为基于应变诱导的二维半导体单光子源的构筑提供新的途径。然而，褶皱应变具有的取向随机性，会造成二维材料单光子源的不可寻址性及难以集成性，致使基于应变的二维材料单光子源在大面积、阵列化量子器件的制备上存在巨大困难。
        刘前团队基于自主开发的新原理激光直写设备，开发出了多种非常规加工方法，创新性地提出了激光诱导模量调控的应变新思路，取得了系列的相关成果（Laser & Photonics Rev., 2023, 2300014；Nature Commun., 2016, 7, 13743；Adv. Mater.,2012, 24 3010；ZL 2018 1 1454770.8）。最近，刘前团队与北京化工大学王聪团队、南洋理工大学高炜博团队合作，在二维半导体应变诱导单光子源的研究上取得新进展，实现了激光诱导的二维半导体的大面积、阵列化纳米应变结构的可控制备。研究团队通过“自上而下”和“自下而上”技术的结合，实现了精准可控的二维材料局域大应变，建立了一种多级次、有序褶皱应变结构的制备新方法。通过精确设计褶皱应变结构的空间分布和应变梯度，获得了单层WSe2的局部大应变（4%-5%）和单一最大应变点并消除了二维半导体与底层之间的随机滑移，实现了单光子源同时具有高亮度（饱和计数达2×106 counts/s）、高稳定性和优异的单色性（单色发射概率约为70%）。 该研究为基于应变工程的高性能单光子源设计和调控及可寻址组装提供了理论依据和实践验证。成果以Realization of single photon emitters with high brightness and high stability and excellent monochromaticity为题发表在Matter杂志上。

图1. WSe2有序褶皱单元（纳米鼓包）的生长和单光子表征示意图

        国家纳米科学中心联合培养博士生陈胜垚、北京化工大学副教授王聪、南洋理工大学博士后蔡洪冰为论文共同第一作者。北京大学王新强教授、国家纳米科学中心刘新风研究员、南开大学许京军教授、张心正教授在器件制备以及单光子源性能测试等方面也给予了支持和帮助。该工作得到了国家重点研发计划纳米科技重点专项以及中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金项目、欧盟项目、中央高校基本科研经费、新加坡量子工程项目的支持。
       论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.12.026
       文章来源：国家纳米科学中心
        刘前，日本工学博士，国家纳米科学中心研究员。曾在日本北海道大学和日本国立产业技术综合研究所（AIST）学习工作多年，2005年归国后，任国家纳米科学中心研究员，博士生导师，科技管理部主任。现为国家纳米科学中心二级研究员，中国科学院大学、南开大学教授和苏州纳米所客座研究员，是澳大利亚科学研究委员会（ARC）海外评审专家，《现代物理》的主编，近10个英文和中文杂志的编委，中科院纳米器件重点实验室、哈工大环境与生态纳米技术联合研究中心学术委员会委员，2013年度材料领域中国科学人年度人物称号，2014年爱思唯尔中国高被引学者。作为首席科学家或课题负责人已承担完成国家973、863、基金委重大研究计划、科技部重大研究计划、中科院重点方向性、科技部国际合作、欧盟等科研项目，已在Adv Mater、Nano Letters、JACS、等刊物发表论文160余篇，撰写英文专著一部（Novel Optical Technologies for Nanofabrication, Springer出版）和英文章节多篇，译著一部，获授权和申请中的美、日以及中国发明专利30余项。