哥伦比亚大学工程和应用科学学院的霍莉·埃瓦茨 激光照射纳米光学探针示意图，用于研究钨二硒化物(WSe2绿色和黄色球)，二维半导体
单层WSe2位于一层氮化硼(蓝色和灰色球)上
学分:尼古拉斯·博里斯/蒙大拿州立大学 哥伦比亚工程大学和蒙大纳州立大学的研究人员今天报告说，他们发现在二维材料中放置足够的应变——tun gsten diselenide(wse 2)——会产生可以产生单光子发射器的局域态
利用哥伦比亚大学过去三年开发的复杂光学显微镜技术，该团队首次能够直接成像这些状态，揭示即使在室温下，它们也是高度可调的，并充当量子点，即发射光的紧密受限的半导体片
“我们的发现非常令人兴奋，因为这意味着我们现在可以把单光子发射器放在任何我们想放的地方，并调整它的属性，比如发射光子的颜色，只需在特定位置弯曲或拉紧材料，”机械工程副教授詹姆斯·舒克说，他是今天发表在《自然纳米技术》杂志上的这项研究的共同负责人
“知道在哪里以及如何调整单光子发射器对于创建用于量子计算机的量子光学电路至关重要，甚至在所谓的‘量子’模拟器中也是如此，这些模拟器模拟的物理现象过于复杂，无法用当今的计算机进行建模
" 开发量子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，研究人员正在研究如何利用量子物理的独特性质来制造比现有技术更高效、更快速、更灵敏的设备
例如，量子信息——比如加密信息——会更加安全
光由被称为光子的离散能量包组成，基于光的量子技术依赖于单个光子的产生和操纵
“例如，一个典型的绿色激光笔每秒发射超过1016 (10万亿)个光子，只需按下一个按钮，”蒙大拿州立大学物理学助理教授、这项新研究的合作伙伴尼古拉斯·博斯指出
“但是开发一种只需拨动开关就能产生单个可控光子的装置是极其困难的
" 研究人员五年前就知道超薄二维材料中存在单光子发射器
他们的发现令人兴奋，因为二维材料中的单光子发射器比大多数其他单光子发射器更容易调谐，更容易集成到设备中
但是没有人理解导致这些二维材料中单光子发射的潜在材料特性
“我们知道单光子发射器的存在，但我们不知道为什么，”舒克说
2019年，德国不来梅大学理论物理研究所教授弗兰克·扬克(Frank Jahnke)的团队发表了一篇论文，从理论上阐述了气泡中的应变如何导致单光子发射的褶皱和局域化状态
舒克专注于纳米结构和界面中出现的传感和工程现象，他立即对与杨克的合作感兴趣
他和Borys想专注于微小的纳米级皱纹，这些皱纹以甜甜圈的形状围绕着存在于超薄二维层中的气泡形成
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
原子力显微镜图像显示在单层二维半导体WSe2 (1L- WSe2)和一层六方氮化硼(一种绝缘材料)之间形成的纳米气泡
在左边，WSe2层已经折回，形成双层(2L-WSe2)，其中包含额外的气泡和皱纹
学分:托马斯·达林顿/哥伦比亚工程学院 舒克的团队和二维材料领域在研究这些单光子发射器的起源时面临着一个重大挑战:发射感兴趣的光的纳米级应变区域比任何传统光学显微镜都要小得多，大约比人类头发的厚度小50000倍
“这就很难理解材料中具体是什么导致了单光子发射:仅仅是高应变吗？是来自隐藏在应变区内的缺陷吗？”该研究的主要作者汤姆·达林顿说，他是博士后，曾是舒克的研究生研究员
“你需要光来观察这些状态，但是它们的尺寸太小，无法用标准显微镜来研究
" 该团队与哥伦比亚纳米研究所的其他实验室合作，利用了他们数十年来在纳米研究方面的专业知识
他们使用复杂的光学显微镜技术，包括他们新的显微镜能力，不仅观察纳米气泡，甚至观察其内部
他们先进的“纳米光学”显微技术——他们的“纳米显微镜”——使他们能够以大约10纳米的分辨率对这些材料成像，而传统的光学显微镜可以实现大约500纳米的分辨率
许多研究人员认为缺陷是二维材料中单光子发射器的来源，因为它们通常存在于三维材料中，如金刚石
为了排除缺陷的作用，并表明应变本身可能是二维材料中单光子发射器的原因，舒克的团队研究了吉姆·霍恩的团队在哥伦比亚工程公司开发的超低缺陷材料，该公司是国家科学基金会资助的材料研究科学与工程中心的一部分
他们还利用了可编程量子材料中心(美国能源部能源前沿研究中心)开发的新双层结构，这种结构在一个平台上提供了清晰的气泡，很容易用舒克的光学“纳米显微镜”进行研究
" “原子尺度的缺陷通常归因于这些材料中的局部光发射源，”杰弗里·内顿说，他是加州大学伯克利分校的物理学教授，也是劳伦斯·伯克利国家实验室能源科学副实验室主任，他没有参与这项研究
“这项工作的重点在于，在不需要原子级缺陷的情况下，应变本身就有可能影响从低功率发光二极管到量子计算机的应用
" 舒克、鲍里斯和他们的团队现在正在探索如何利用应变来精确定制这些单光子发射器的特定属性，并为未来的量子技术开发这些发射器的工程可寻址和可调阵列
“我们的结果意味着完全可调的室温单光子发射器现在在我们的掌握之中，为可控和实用的量子光子器件铺平了道路，”舒克观察到
“这些设备可以成为量子技术的基础，量子技术将深刻地改变我们所知的计算、传感和信息技术
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