Science Advances: 电驱动的二硫化钨单光子发射器

有关量子技术，例如量子通信等目前最困难的问题就是找到可以按需发射相干单光子的材料，并实现集成。来自美国，德国和西班牙的一组研究人员开发了一种系统，认为该系统可以解决上述问题（Sci。Adv。，doi：10.1126 / sciadv.abb5988）。他们开发出一种单光子发射器，该发射器使用扫描隧道显微镜（STM）的细小尖端将电子发射到2D材料中精确定位的原子缺陷中心，从而激发单个光子发射。

材料WS2是一类原子级薄的半导体2D材料之一，为过渡金属二卤化物（TMDs），具有良好的光学性能例如，在最近的实验中TMD，例如二硒化钨（WSe2）和二硒化钼（MoSe2），已经被证明了具有量子发射能力。

该研究小组的方法是使用2D材料，即二硫化钨（WS2）中的缺陷，作为点发射源。研究人员首先开发出了在精确位置上产生缺陷的技术，并使用扫描隧道显微镜（STM）的超细金尖端将激发电子注入这些原子级缺陷的中心。相同的金尖端用作等离激元天线，用于分流发射的光子。

该电触发单光子枪可以根据类似量子点的材料缺陷特征，按需发射单个相同的光子。研究小组说，它可以通过调节施加的偏置电压来调整发射光子的特性。

发射的光子是由于能量被局部约束在应变中心处，这些能量随机分布在材料中。量子技术的问题在于确定这些发射器的位置，并确保由它们产生的光子具有相同的光学特性，这是量子技术中单光子源的关键要求。由于研究人员引入了相同的晶体缺陷，因此保证了所发射的光子具有光学相干性。

材料结构的横截面示意图该小组在石墨烯原子薄层上的二硫化钨层中用铬代替钨原子实现精确定位的缺陷，，并产生了硫空位（图中的灰色链）。

制备方法

研究人员使用化学气相沉积法在外延生长的石墨烯层上生长一层WS2岛，即光子发射材料，衬底材料为碳化硅。随着生长，该材料将生成许多人造的缺陷，即在某些部位用铬代替钨。然后，研究小组采用高温退火技术在晶格中也产生了间隔规则的硫空位。

设备示意图，原子层和STM尖端

在研究小组的概念中，STM尖端将电子泵入单个缺陷中心，以激发在那里的跃迁，然后充当等离子天线，从激发态中引导单个光子。

接下来，研究人员使用镀金的STM尖端对他们创建的缺陷中心进行电刺激。在该方案下，电子从尖端被泵送到精确定位的单个缺陷中心，在该中心，激发缺陷的弛豫导致单个光子的发射。然后，尖端充当等离子天线，将发射的光子引导至光学探测器，并在该探测器中记录其波长和位置。尖端和样品之间的偏压确定电子注入能量。因此，该电压可以用作控制旋钮，以在缺陷中心的不同过渡状态之间切换，从而调整发射光子的光学特性。

该团队能够使用该系统以小于埃（0.1 nm）的分辨率绘制薄材料中的光子发射图，这是迄今为止在此类工作中报道的最高空间分辨率。

施加电压时薄膜材料发出的光子的强度和位置。彩色表示每秒的光子数，范围从零（蓝色）到1,500（红色）。

研究人员通过控制电子，开启了对量子性质进行高度精细控制的前景，最终实现了固态隧道器件中的按需自旋极化单光子发射。该技术也为创建用于量子网络和量子模拟的单光子发射器提供了可行的解决思路，并且正在研究将方法应用于这些领域的方法。