科学家们使量子光学网络更接近现实，在纳米尺度上精确控制光和物质相互作用的能力可以帮助这样的网络比电子网络更快、更安全地传输更多的数据。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)、芝加哥大学(University of Chicago)和西北大学(Northwestern University)的一组研究人员成功克服了测量纳米颗粒如何与三维光相互作用的重大挑战。纳米颗粒由二维硒化镉层构成，这一领域的进展可以加强量子光学网络的运作。美国能源部阿贡科学用户中心纳米材料中心(CNM)纳米科学家马学丹说：为了将纳米颗粒集成到光子器件中，必须了解它们如何与光相互作用或如何发光。”
博科园-科学科普：Ma和六名合著者在《纳米快报》上发表了一篇题为《半导体纳米粒中各向异性光学跃迁偶极体的各向异性光致发光》（Anisotropic photoluminescence from isotropic optical transition dipoles in semiconductor nanoplatelets）的论文。加里·维德雷希特(Gary Wiederrecht)说：该项目的最终目标是量子材料独特光学特性，以及它们发射单个光子的事实，必须能够将量子发射器与光学网络整合起来。像这样的单光子源在长距离量子通信和信息处理中的应用是必需的。这些光源将作为量子光学网络中的信号载体，以单光子(光粒子)的形式发射光。单光子是许多量子信息科学应用的理想选择，因为它们以光速运动，在长距离中几乎没有动量损失。
美国阿贡大学、芝加哥大学和西北大学的科学家们通过他们最新的研究，将量子光学网络向现实迈进了一步。图为阿贡团队。从左至右:马学丹，本杰明·迪罗尔，理查德·夏勒和加里·维德雷希特。图片：Argonne National Laboratory
当纳米粒子吸收光线时，它们会形成亚原子粒子样的激子，纳米粒子的垂直维度是激子受到量子限制的地方，量子限制是一种决定其能级并将电子包裹成离散能级的现象。在这项研究中，一些厚度均匀的纳米颗粒是在芝加哥大学化学教授Dmitri Talapin的实验室中合成（Talapin是这篇论文的另一位合著者，他与Argonne有一个共同约定），他们对纳米血小板厚度有精确的原子水平控制。这些纳米颗粒大约1.2纳米厚(跨越四层原子)，10到40纳米宽。一张纸比40000多个纳米颗粒的叠加还要厚。这使得在三维空间中测量材料与光的相互作用变得更加困难。研究人员通过CNM提供的特殊样品制备和分析能力，成功地“欺骗”了二维纳米血小板材料，揭示了它们如何在三维空间与光相互作用。
过渡偶极矩是半导体和有机分子的一个重要的三维参数，基本上定义了分子或半导体如何与外部光相互作用。但是在半导体纳米薄片这样平坦的材料中，过渡偶极子的垂直分量很难测量。研究人员通过使用CNM纳米制造无尘室的干蚀刻工具，对放置纳米颗粒的平板玻片进行激光扫描和显微镜近距离观察，从而解决了这一难题。粗糙度不会大到使激光束扭曲，但足以引入纳米颗粒的随机分布。纳米颗粒的随机方向使研究人员能够通过特殊光学方法来评估材料的三维偶极特性，从而在CNM上的独特光学显微镜下制造出一束甜甜圈形状的激光束。该团队的下一步是将纳米血小板材料与光子器件集成，用于传输和处理量子信息，该团队研究人员已经在朝这个方向前进了！
博科园-科学科普｜研究/来自：美国能源部
Steve Koppes, US Department of Energy
参考期刊文献:《Nano Letters》
DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00347
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