Nano Lett.：理论预测二维材料位错是独特的单光子发射源

固体将所吸收的能量转化为光辐射即为发光，可通过能带理论描述。固体中含有大量的电子，同时根据微化学结构的不同而具有一套专门用于电子填充的能级。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）称为价带，而空楼层则为导带。当体系从外界吸收能量时，处于最高填充楼层中的人最容易激动而跃迁到更高的空楼层（导带）。进入空楼层中的人相当于固体中的电子载体，而其在原楼层中留下的空缺相当于空穴载体；它们通过库伦吸引形成电子-空穴对，在物理上称为激子。导带中的电子随着激子的驰豫，倾向于回填价带中的空缺，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，固体吸收能量后会瞬间产生大量的电子空穴对，经过复合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。近年来，量子信息技术的兴起使得人们开始关注如何利用光子来携带和传递信息，这依赖于高性能单光子源的发展。单光子源是在特定空间中，在既定时间间隔内仅产生一对电子-空穴，其通过复合发射出一个光子。当一对纠缠的光子中一个因被观测而导致量子态塌缩，另一个光子的量子态也同时塌缩。随之，若有第三方在中途窃取信息，将破坏光子原有的信息状态，很容易被即时检测到。因此，单光子源可用于高效安全的量子加密通讯，但所需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个电子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远，以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，展现出良好的单光子发射性能。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性差、分布不易控制、光子萃取率低等不足。位错是晶体材料中最常见的缺陷之一，它源于晶体拓扑结构的改变，因此具有极高的稳定性。

最近，南京航空航天大学张助华（点击查看介绍）与郭万林教授（点击查看介绍）团队通过系统的理论计算，发现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能力。由于位错在二维材料中充分暴露于表面，这类发射源具有极高的量子发射效率和光子萃取效率，以及接近纳秒的光子辐射寿命，而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。他们进一步发现改变位错结构、电荷状态和化学组成，或对体系施加应变，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光子发射。

由于以前报道的单光子发射大多位于可见光区域，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。这项成果推动了二维材料在量子信息领域的应用，发表于《纳米快报》（Nano Letters）。周晓成博士生为本文的第一作者，张助华教授和郭万林教授为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Dislocations as Single Photon Sources in Two-Dimensional Semiconductors

Xiaocheng Zhou, Zhuhua Zhang*, Wanlin Guo*

Nano Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b05305

导师介绍

张助华

https://www.x-mol.com/university/faculty/48489

郭万林

https://www.x-mol.com/university/faculty/37831