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中國潘建偉科學家團隊打開類石墨烯材料通往光量子器件新路

剛接受李克強總理考察的中科院捷報頻傳,化學所剛宣布人工模擬光合作用水裂解催化中心研究獲重要進展,中科院所屬的中國科學技術大學潘建偉團隊,又發現了基於單原子層的新型單光子源,將目前大紅大熱的類石墨烯材料帶到了光量子器件的新天地。

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等與華盛頓大學許曉棟、香港大學姚望合作,在國際上首次在類石墨烯單原子層半導體材料中發現非經典單光子發射,連接了量子光學和二維材料這兩個重要領域,打開了一條通往新型光量子器件的道路。該工作於5月5日在線發表在《自然·納米技術》上。同期的“新聞視角”欄目撰文評論該工作“開辟了一個新的研究領域”。

中國科大等發現基於單原子層的新型單光子源

自2004年有科學家成功製備石墨烯(即單原子層碳)以來,該材料的物理內涵和優異性質引發外界對基礎和應用研究的熱潮。今年中國研製的全球首款量產石墨烯手機,不僅畫麵高清,電池壽命也更長;而軍事強國近年來也紛紛用石墨烯代替凱夫拉、芳綸等材質,著手打造新型鎧甲防護裝具;中國科學家則在石墨烯電子皮膚研究上取得了進展。不久前,中國科學家突破石墨烯工業化生產難題,製備單層石墨烯僅需一小時。但因石墨烯的電子結構中不具備能隙,限製了其在光電器件方麵的應用。

不過,新型的有直接帶隙的類石墨烯材料“單原子層過渡金屬硫化物”(如MoS2, WSe2等)以其獨特的光電性質受到關注。隻是此前國際上所有關於單原子層二維材料的研究集中於經典光學領域,尚未在實驗上觀察到光子反聚束等量子光學現象。

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等與華盛頓大學許曉棟、香港大學姚望合作研究發現,二硒化鎢(WSe2)二維單原子層中的原子缺陷能夠束縛激子,成為非經典的單光子發射器,“和其他的單光子係統相比,這種基於單原子層的單光子器件不僅利於光子的讀取和控製,還可方便地製備和實現與其他的光電器件平台結合”。

最年輕的院士、27歲時科研成果就入選“年度全球十大科技進展”、31歲毅然回國組建自己的實驗室、幫助中國在量子通信的前沿科技領域處於世界領先……近年來,在合肥工作的潘建偉是中國最耀眼的科技明星之一,也被認為是距離諾貝爾最近的中國人之一。

陸朝陽,英國劍橋大學博士,中國科學技術大學教授。在國際上首次實現六光子糾纏、八光子糾纏和十比特超糾纏,三次刷新了多光子糾纏和光學量子計算領域的兩項世界記錄,兩次入選了兩院院士評選的年度中國科技十大進展新聞。

這項研究意味著可以實現高效光量子信息處理線路。理論還表明,科學家通過控製電場,可實現對單電子自旋—穀耦合自由度的量子調控,“未來將應用於可容錯量子計算的研究”。

事實上,具有潛在前景的基於單原子層的量子調控領域已成為國際競爭焦點。潘建偉團隊的研究成果5日在線發表於《自然·納米技術》,法國強磁場國家實驗室等三個歐美獨立研究團隊也有類似研究成果,但晚於中國團隊投稿。

值得一提的是,潘建偉團隊在可擴展光量子信息處理技術的係統研究上已取得一批成果,包括在國際上首次實現單原子層半導體量子器件、實現量子人工智能算法實驗等,在光量子信息領域保持著國際領先地位。

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