科學家研制出原子級光子開關，可按需操控單光子

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。這些被稱為量子發射器的微型開關，被認為是未來量子計算機、超安全通信網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實更近一步。

量子發射器之謎

量子發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：產生這些發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光特性或原子結構，無法同時觀測二者。

"研究量子發射器的挑戰在于，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射器的工程化應用，而新研究通過創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——這種僅數個原子厚的超薄二維晶體已知能產生量子發射器。他們使用了一臺名為QuEEN-M（量子發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，研究人員向材料發射聚焦電子束。當電子擊中晶體缺陷時，該缺陷會發光。通過分析發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，將發光特性與特定原子缺陷直接關聯。

不僅如此，研究團隊還有另一關鍵發現：將六方氮化硼層按特定角度扭曲會產生特殊的"扭曲界面"，能使量子發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射器的原子結構——原來是晶體內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光特性關聯時，就為精確設計量子發射器打開了大門，"研究作者、阿貢實驗室科學家托馬斯·蓋奇指出，"這意味著我們現在可以通過電子束按需制造并調控它們。"

量子領域的重大飛躍

這項工作標志著量子發射器研究從偶然發現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。基于精確定位量子發射器的芯片將能更高效地處理信息、安全傳輸數據，并以最小損耗放大信號。

盡管取得突破，挑戰依然存在。目前該技術依賴高度專業化的顯微鏡，限制了其大規模應用。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。

這項研究已發表在《先進材料》期刊。

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