最近，国际著名期刊《纳米快报》(Nano Letters)在线报道了我校纳米科学研究所团队关于二维材料新型单光子发射源的研究进展。
固体将所吸收的能量转化为光辐射即为发光。固体中含有大量的电子，同时根据微结构和元素的不同具有一套专门用于电子填充的能级。为便于理解，我们把电子比作人，把这套能级比作一栋大楼。人只能处于楼层所在的特定高度上，并自觉从低楼层依次往高楼层填充。已经填满人的楼层（能级）相当于价带，而空的楼层对应于导带。当体系从外界吸收能量时，处于最高价带中的人最容易激动而跃迁到更高的导带。空楼层中的人和原楼层中留下的空缺分别称为电荷和空穴，它们通过静电吸引形成电子-空穴对。空楼层中的人冷静下来后，倾向于回归原楼层填补其空缺，驱使了电子-空穴对的复合。这种复合可将吸收的能量转化为光子辐射出来。光致发光、生物发光等均是基于这种原理。
通常情况下，固体在吸收能量后会瞬间产生大量的电子空穴对，经过复合后发射出高密度的光子。日常的LED器件和光激发器件等即属于这种情况。随着量子信息科学的发展，人们一直尝试利用光子携带和传递信息，这需要在特定空间中将光子一个个地发射出来。单光子之间紧密纠缠，牵一发而动全身。若第三方在中途窃取信息，很容易因破坏光子原有的信息状态而被即时检测到。因此，单光子源可用于高效安全的量子加密通讯，但其形成的物理条件非常苛刻。
回到上述的楼层模型，实现单光子发射需要在填满楼层和空楼层之间额外修建一套仅能允许单人上蹿下跳的两子楼层，而且子楼层均要与填满楼层和空楼层间隔足够的距离，以避免受到周围环境的干扰。宽禁带半导体中的少数点缺陷可提供类似于两子楼层的电子结构，并展现出不俗的单光子发射性能。最典型的例子是金刚石中的氮-空位缺陷。然而，基于点缺陷的单光子源存在化学稳定差、分布不易控制、光子萃取率低等不足。
位错是最常见的缺陷之一，源于拓扑结构的改变，具有极高的稳定性。最近，我校航空学院机械结构力学及控制国家重点实验室纳米科学研究所理论研究团队基于大规模平行计算，预测出二维金属硫属化物半导体中的位错是一种难得的两能级量子系统，并通过光谱计算证明了其优异的单光子发射性能。由于位错在二维材料中暴露于表面，这类发射源具有极高光子萃取效率和纳秒级的光子辐射寿命，且可通过光的偏振实现选择性激发，有利于发展高速量子通信技术。进一步发现改变位错结构、电荷状态和化学组成均可有效调节单光子的发射频率，最终实现红外区域内多波段的光子发射。
由于以前报道的单光子发射大多在可见光区域，该研究显著拓宽了单光子的光谱范围，适合应用于光纤通信技术，并推动了二维材料在量子信息领域的应用。周晓成博士生为论文的第一作者，张助华教授和郭万林教授为通讯作者。
近3年来，纳米所理论研究团队怀揣科学求真的初心，潜心于学术前沿研究，已在Chem. Soc. Rev.、Nature Nanotech.、Science Adv.、JACS、Nano Lett.、Nature Commun.和JMPS这样的顶级学术刊物上以第一/通讯作者共计发表了8篇论文，有力促进了我校基础研究的发展。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b05305