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《探索 | POSTECH 和悉尼科技大学开发使用单原子的量子LED》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： 胡思思
  • 发布时间：2025-01-13

  • 1 月 10 日，POSTECH 宣布，由 POSTECH 材料科学与工程系的 Kim

    Jong-hwan 教授和悉尼科技大学的 Igor Aharonovich 教授领导的联合研究团队成功开发了一种量子发光二极管

    （Quantum LED），该二极管可以使用单个原子精确发光。这项创新技术通过向由单个原子组成的发光材料注入电荷来产生光，最近作为封面论文发表在著名的国际期刊 Nano Letters 上。

    研究团队使用六方氮化硼

    （hBN）

    实现了这种先进的光源技术，这种材料以其能够将电子稳定地限制在各种原子缺陷中而闻名。与由数百至数千个原子组成的传统量子点不同，该团队研发的量子 LED 即使在室温下也表现出优异的量子光源特性。这一突破解决了该领域的重大挑战，因为 hBN 的宽带隙历来难以注入电荷，从而阻碍了 LED 器件的发展。

    为了克服这一障碍，研究人员设计了一种“石墨烯-hBN-石墨烯”范德华隧穿结构。石墨烯以其卓越的电性能而闻名，通过将电子快速传输到 hBN 内部，在这种结构中发挥着至关重要的作用。通过掺杂石墨烯，该团队能够调整电子的能量状态，从而最大限度地提高电荷注入效率。然后引导注入的电荷集中在 hBN 内的原子缺陷上，从而成功发射从可见光到近红外的宽波长范围内的光。该设备在室温下稳定运行的能力标志着量子技术领域的重大进步。

  • 原文来源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03824
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  • 《探索 | 华中科技大学开发出全光学埃米级量子磁成像技术》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：胡思思
    • 发布时间：2025-08-27
    • 近日，华中科技大学物理学院智能量子中心、HUST-UULM中德量子传感与量子测量实验室蔡建明教授团队与美国德克萨斯大学奥斯丁分校研究团队合作，提出了一种基于二维范德瓦尔斯固态自旋的全光学埃米级（百亿分之一米）量子磁成像新方案，有望实现原子尺度磁结构的精准成像。 在研究凝聚态物理中的磁序、拓扑态和量子相变等前沿问题时，如何“看见”原子级别的磁性排列一直具有挑战，对具备超高空间分辨率的磁成像技术提出了迫切需求。目前主要的方法如扫描隧道显微镜（STM）、电子自旋共振STM（ESR-STM）和磁交换力显微镜（MExFM）虽已实现埃米级分辨率，但仍存在测量系统复杂、探针会对样品产生扰动等问题。本工作创新性地将二维范德瓦尔斯材料中的原子级薄层中的自旋缺陷（如六方氮化硼中VB-空位）作为量子自旋探针，并与太赫兹散射近场光学显微镜（THz s-SNOM）结合，构建出一种全新的量子磁成像机制（图1所示）。 图1、全光学埃米级量子磁成像原理示意图。将二维范德瓦尔斯体系中的固态缺陷结构与太赫兹近场光学显微镜结合，实现高分辨率磁结构成像 通过精确控制探针与样品间的距离至数埃范围内，使强交换相互作用成为主导（图2所示），再结合太赫兹光调控和对自旋依赖荧光信号的探测，实现对磁性信息的高灵敏度和高空间分辨率读取。与依赖微波或机械谐振系统的磁成像手段相比，该方法完全使用光学手段，具有更强的系统兼容性，对样品的扰动更小，同时显著简化了实验装置的复杂性以及对实验条件的要求。 图2、自旋-自旋相互作用随探针-样品距离变化的关系 进一步，为对比不同固态自旋扫描成像技术的探测机制，本研究系统分析了长程磁偶极-偶极相互作用与短程磁交换相互作用在微纳尺度磁成像中的性能差异。以常见的金刚石氮空位中心（NV center）扫描磁成像为例，受限于其三维晶格结构，NV中心与样品之间的具体通常在10 nm量级，使其磁成像主要依赖于偶极-偶极相互作用这一长程耦合机制（如图2所示）。相比之下，二维范德瓦尔斯材料中的自旋缺陷结构可以贴近样品至埃米尺度，使得短程磁交换作用占主导地位。结合扫频太赫兹或固定太赫兹频率两种成像模式，可实现超高分辨率磁成像。进一步的数值分析表明，即使在探针距样品仅为4 ?的条件下，基于磁交换相互作用的成像效果显著优于偶极-偶极机制，呈现出更高的空间分辨率和更清晰的磁结构成像（见图3）。而由于磁偶极–偶极相互作用的长程性，其成像信号更为复杂，对磁图像的重构带来较大挑战。这些结果突显了基于短程磁交换相互作用的成像方法在微纳尺度超高空间分辨率磁探测中的独特优势。 图3、基于偶极-偶极相互作用与基于磁交换相互作用的成像对比。其中待测样品为5x5方形晶格结构，晶格常数为3? 本研究为实现埃米级磁成像提供了全新的研究思路，同时可与先进的THz-SNORM、THz时域光谱测量、以及基于固态自旋的量子精密测量与成像技术结合。该方法有望成为凝聚态物理实验中的重要探测工具，特别适用于研究手性磁性、反铁磁、交错磁序及莫尔晶体中的轨道磁性等复杂磁性现象，开辟了微纳尺度下磁结构探测的新路径。
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  • 《探索 | 单光子源为实际应用中的量子加密铺平了道路》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-03-25
    • 华盛顿——研究人员已经开发出一种新的高纯度单光子光源，可以在室温下工作。该光源是使量子技术迈向实际应用的重要一步，如基于量子密钥分发(QKD)的高安全性通信。 来自澳大利亚悉尼科技大学的研究团队成员Helen Zeng说:“我们开发了一种按需生成高纯度光子的方法，这种方法可以在可伸缩的、可携带的系统中，在室温下工作。”“我们的单光子光源可以推进实际QKD系统的发展，并可以集成到现实世界的各种光量子应用中。” 在期刊《Optics Letters》上，Zeng和来自澳大利亚新南威尔士大学和麦考瑞大学的同事描述了他们的新型单光子源，并表明它在室温下每秒可以产生超过1000万个光子。他们还将单光子源整合到一个可以执行QKD的完全便携设备中。 这种新型单光子光源独特之处在于，将一种叫做六方氮化硼的二维材料和一种叫做半球形固体浸没透镜的光学元件结合在一起，从而将光源的效率提高了6倍。 图1:一种可以在室温下工作的新型高纯度单光子源，为实现量子技术的实际应用迈出重要一步，例如基于量子密钥分配的高安全性通信 室温下的单光子源 QKD利用光的量子特性生成安全随机密钥对数据进行加密和解密，为数据通信提供了不可穿透的加密。QKD系统需要鲁棒性强而明亮的光源，以单光子串的形式发出光。然而，今天的大多数单光子光源都不能很好地工作，除非在零下几百度的低温下工作，这限制了它们的实用性。 尽管六方氮化硼以前曾被用于制造室温下工作的单光子源，但直到现在，研究人员还未能达到实际应用所需的效率。“大多数用于改善六方氮化硼单光子源的方法都依赖于精确定位发射器或使用纳米制造，”Zeng说。“这使得设备变得复杂，难以规模化，也不容易大规模生产。” Zeng和他的同事们着手创造一个更好的解决方案，他们使用一个固体浸没透镜来聚焦来自单光子发射器的光子，这样就可以检测到更多的光子。这些透镜在市场上可以买到，而且很容易制造。 研究人员将他们的新型单光子光源与一个定制的便携式共聚焦显微镜相结合，该显微镜可以在室温下测量单光子，实现了一个可以执行QKD的系统。单光子光源和共聚焦显微镜被封装在一个坚固的封装外壳中，该封装只有500 × 500毫米，重约10公斤。该封装还可以处理振动和杂散光。 Zeng说:“我们的流线型设备使用起来更容易，而且比传统的光学仪器要小得多，而传统的光学仪器往往要占用整个实验室的空间。”这使得该系统可以用于一系列量子计算方案。它还可以适应于现有的电信基础设施。” 图2:单光子光源和共聚焦显微镜被封装在一个坚固的外壳封装中，直径只有500 × 500毫米，重约10公斤 量子密码通信实验 对这种新型单光子源的测试表明，它可以实现107Hz的单光子采集率，同时保持良好的纯度——这意味着每个脉冲包含多个光子的概率很低。它还显示了在多个小时的连续运行中的稳定性。研究人员还演示了该系统在现实条件下执行QKD的能力，证明20 MHz重复率的安全QKD在数公里范围内是可行的。 现在，研究人员已经证明他们的便携式设备可以执行复杂的量子加密，他们未来将对其在加密过程中的鲁棒性、稳定性和效率进行进一步测试。他们还计划在现实生活中使用新型光源来执行QKD，而不是在实验室中。“我们现在已经准备好将这些量子二维材料方面的科学进展转化为技术成熟的商业产品，”该项目的负责人Igor Aharonovich说。
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