科学家研制出原子级光子开关，可按需操控单光子

通过扭曲超薄晶体和运用电子束，研究人员在原子尺度实现了对量子光前所未有的精确控制。

想象一下，一个仅由几个原子构成的微型开关，却能每次精准释放一个光子。这些被称为量子发射器的微型开关，被认为是未来量子计算机、超安全通信网络和超高灵敏度传感器等技术的核心组件。多年来，科学家们始终难以完全理解和控制它们，但这一困境即将被打破。近日，美国研究人员阐明了在超薄材料内部以原子精度识别、设计并定位单光子源的全过程。

这一突破扫除了量子材料科学领域最大的障碍之一，使实用化量子设备离现实更近一步。

量子发射器之谜

量子发射器通过按需释放单光子（光的单个能量包）来工作。这种能力至关重要，因为量子技术完全依赖于对光与信息的绝对控制。难题始终在于观测与控制：产生这些发射器的原子级缺陷极其微小且难以观测。科学家过去只能单独研究其发光特性或原子结构，无法同时观测二者。

"研究量子发射器的挑战在于，其光学行为由原子结构决定，而原子结构又极难直接观测，"该研究的作者之一、阿贡国家实验室材料科学家温建国解释道。这一根本性局限长期阻碍着量子发射器的工程化应用，而新研究通过创新方法终于打破了这种两难局面。

逐原子破解难题

研究团队将目光投向六方氮化硼——这种仅数个原子厚的超薄二维晶体已知能产生量子发射器。他们使用了一台名为QuEEN-M（量子发射器电子纳米材料显微镜）的强大定制仪器，这台先进显微镜将原子级成像与阴极荧光光谱技术相结合。

简而言之，研究人员向材料发射聚焦电子束。当电子击中晶体缺陷时，该缺陷会发光。通过分析发出的光的颜色与亮度，科学家能精确锁定对应的原子结构。

这种方法解决了长期存在的矛盾：通常研究发光需要较厚样品，而观测原子结构需要超薄样品。QuEEN-M让研究人员能同时完成两项任务，将发光特性与特定原子缺陷直接关联。

不仅如此，研究团队还有另一关键发现：将六方氮化硼层按特定角度扭曲会产生特殊的"扭曲界面"，能使量子发射器的光信号强度最高提升120倍。增强的信号让定位精度突破10纳米，研究人员借此成功解析出蓝色量子发射器的原子结构——原来是晶体内部垂直堆叠的两个碳原子构成的碳二聚体。

"当我们能将原子结构与其发光特性关联时，就为精确设计量子发射器打开了大门，"研究作者、阿贡实验室科学家托马斯·盖奇指出，"这意味着我们现在可以通过电子束按需制造并调控它们。"

量子领域的重大飞跃

这项工作标志着量子发射器研究从偶然发现迈向定向设计的重大转折。因为将单光子源精确定位到所需位置，对于构建可扩展的量子器件至关重要。基于精确定位量子发射器的芯片将能更高效地处理信息、安全传输数据，并以最小损耗放大信号。

尽管取得突破，挑战依然存在。目前该技术依赖高度专业化的显微镜，限制了其大规模应用。未来研究将聚焦于提升方法的可扩展性，并探索不同原子结构如何影响光子行为。

这项研究已发表在《先进材料》期刊。

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