中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与华盛顿大学许晓栋、香港大学姚望合作，在国际上首次在类石墨烯单原子层半导体材料中发现非经典单光子发射，连接了量子光学和二维材料这两个重要领域，打开了一条通往新型光量子器件的道路。该工作于5月5日在线发表在《自然·纳米技术》上。同期的“新闻视角”栏目撰文评论该工作“开辟了一个新的研究领域”。自2004年曼彻斯特大学的Geim和Novoselov成功制备石墨烯（即单原子层碳）以来，其美妙的物理内涵和优异的性质引发了对基础和应用研究的热潮。然而石墨烯的电子结构中不具备能隙，限制了其在光电器件方面的应用。最近，一类新型的有直接带隙的类石墨烯材料：单原子层过渡金属硫化物（如MoS2, WSe2等），由于其独特的光电性质受到广泛的关注。然而，此前国际上所有的关于单原子层二维材料的研究都集中于经典光学领域，还未在实验上观察到如光子反聚束等量子光学现象。

潘建伟、陆朝阳等领导的团队在国际上首次实验发现，WSe2二维单原子层中的原子缺陷能够束缚激子而成为非经典的单光子发射器，验证其二阶关联函数约为0.14。单光子具有极窄的谱线线宽约100微电子伏特，比WSe2二维单原子层非定域的谷激子的线宽小两个数量级。通过磁光测量发现缺陷中激子具有异常大的朗德g因子，大约为8.7，远大于单原子层谷激子和InAs量子点。和其他的单光子系统相比，这种基于单原子层的单光子器件不仅利于光子的读取和控制，并且可方便地制备和实现与其他的光电器件平台结合，例如微纳结构谐振腔，实现高效光量子信息处理线路。理论表明，通过电场控制，还可能实现对单电子自旋—谷耦合自由度的量子调控，在未来可应用于可容错量子计算的研究。

由于基于单原子层的量子调控的潜在前景和新颖物理意义，该领域很快已经成为国际激烈竞争的焦点。同时在《自然·纳米技术》在线发表的还有稍晚于中国团队投稿的三个欧美独立研究团队的类似研究成果，分别来自瑞士苏黎世联邦理工学院、法国强磁场国家实验室和美国罗切斯特大学。

潘建伟团队在中科院、教育部、科技部和基金委的长期支持下，面向可扩展光量子信息处理技术前瞻性地开展了系统性研究，2015年至今的成果包括在国际上首次实现单原子层半导体量子器件（Nature Nanotechnology 2015）、实现量子人工智能算法实验（Phys. Rev. Lett. 114, 110504; 2015）、发展多自由度隐形传态技术（Nature 518, 516-519; 2015），探索可升级量子网络和量子计算的研究等，在光量子信息领域继续保持着国际领先地位。


来源：中国科学院