通過扭曲超薄晶體和運用電子束，研究人員在原子尺度實現(xiàn)了對量子光前所未有的精確控制。

想象一下，一個僅由幾個原子構成的微型開關，卻能每次精準釋放一個光子。這些被稱為量子發(fā)射器的微型開關，被認為是未來量子計算機、超安全通信網(wǎng)絡和超高靈敏度傳感器等技術的核心組件。多年來，科學家們始終難以完全理解和控制它們，但這一困境即將被打破。近日，美國研究人員闡明了在超薄材料內(nèi)部以原子精度識別、設計并定位單光子源的全過程。

這一突破掃除了量子材料科學領域最大的障礙之一，使實用化量子設備離現(xiàn)實更近一步。

量子發(fā)射器之謎

量子發(fā)射器通過按需釋放單光子（光的單個能量包）來工作。這種能力至關重要，因為量子技術完全依賴于對光與信息的絕對控制。難題始終在于觀測與控制：產(chǎn)生這些發(fā)射器的原子級缺陷極其微小且難以觀測。科學家過去只能單獨研究其發(fā)光特性或原子結構，無法同時觀測二者。

"研究量子發(fā)射器的挑戰(zhàn)在于，其光學行為由原子結構決定，而原子結構又極難直接觀測，"該研究的作者之一、阿貢國家實驗室材料科學家溫建國解釋道。這一根本性局限長期阻礙著量子發(fā)射器的工程化應用，而新研究通過創(chuàng)新方法終于打破了這種兩難局面。

逐原子破解難題

研究團隊將目光投向六方氮化硼——這種僅數(shù)個原子厚的超薄二維晶體已知能產(chǎn)生量子發(fā)射器。他們使用了一臺名為QuEEN-M（量子發(fā)射器電子納米材料顯微鏡）的強大定制儀器，這臺先進顯微鏡將原子級成像與陰極熒光光譜技術相結合。

簡而言之，研究人員向材料發(fā)射聚焦電子束。當電子擊中晶體缺陷時，該缺陷會發(fā)光。通過分析發(fā)出的光的顏色與亮度，科學家能精確鎖定對應的原子結構。

這種方法解決了長期存在的矛盾：通常研究發(fā)光需要較厚樣品，而觀測原子結構需要超薄樣品。QuEEN-M讓研究人員能同時完成兩項任務，將發(fā)光特性與特定原子缺陷直接關聯(lián)。

不僅如此，研究團隊還有另一關鍵發(fā)現(xiàn)：將六方氮化硼層按特定角度扭曲會產(chǎn)生特殊的"扭曲界面"，能使量子發(fā)射器的光信號強度最高提升120倍。增強的信號讓定位精度突破10納米，研究人員借此成功解析出藍色量子發(fā)射器的原子結構——原來是晶體內(nèi)部垂直堆疊的兩個碳原子構成的碳二聚體。

"當我們能將原子結構與其發(fā)光特性關聯(lián)時，就為精確設計量子發(fā)射器打開了大門，"研究作者、阿貢實驗室科學家托馬斯·蓋奇指出，"這意味著我們現(xiàn)在可以通過電子束按需制造并調(diào)控它們。"

量子領域的重大飛躍

這項工作標志著量子發(fā)射器研究從偶然發(fā)現(xiàn)邁向定向設計的重大轉折。因為將單光子源精確定位到所需位置，對于構建可擴展的量子器件至關重要?；诰_定位量子發(fā)射器的芯片將能更高效地處理信息、安全傳輸數(shù)據(jù)，并以最小損耗放大信號。

盡管取得突破，挑戰(zhàn)依然存在。目前該技術依賴高度專業(yè)化的顯微鏡，限制了其大規(guī)模應用。未來研究將聚焦于提升方法的可擴展性，并探索不同原子結構如何影響光子行為。

這項研究已發(fā)表在《先進材料》期刊。

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