在《Nature Photonics》上发表的一项开创性研究中，蔡教授及其团队展示了一种提升单光子发射器（Emitter)性能的新方法，这一研究在量子光学领域取得了重要进展。他们通过将等离子体平台(Plasmonic platform) 与双门技术(Dual gate)集成在二维（2D）材料中，特别是钨二硒化物（WSe₂），实现了量子效率的显著提高，最高达到了90%。这一突破不仅提升了量子信息应用的潜力，还为实用的量子技术开辟了新的方向。

图：工程化的钨二硒化物（WSe₂）量子发射器中的辐射和非辐射过程。

图示展示了器件结构的示意图，其中单层WSe₂位于金属纳米间隙阵列上，顶部和底部配备双门技术。图中标示了电子（e）、空穴（h）、六方氮化硼（hBN）和石墨烯层（FLG）。图源：Springer Nature Ltd.。

二维材料的优势

像WSe₂这样的二维材料因其独特的电子和光学性质而备受瞩目。这些材料由原子级厚度的层组成，可以叠加或工程化以创造特定的激子环境。这种灵活性使它们成为探索激子物理学和开发新型量子设备的理想选择。单光子发射器对于量子信息处理至关重要，它们需要具备高效率和稳定性来产生单光子。然而，这些发射器的性能往往受到局部环境的敏感影响，从而影响光学稳定性和相干性。

等离子体增强与双门技术：变革性突破

蔡教授及其团队的创新包括一系列复杂的技术组合，用以解决这些性能限制。他们利用金纳米间隙结构来增强等离子体效应，从而显著提升发射器的光致发光强度。具体来说，他们通过焦点离子束刻蚀制作了具有10纳米间隙的纳米间隙阵列，然后将WSe₂单层转移到该阵列上。纳米间隙处局部化的等离子体场增强了量子发射器与等离子体模式之间的耦合，使光致发光强度提高了20至40倍。

此外，双门技术的集成在提高量子效率方面也发挥了关键作用。在这种配置中，WSe₂层被接地，并通过六方氮化硼（hBN）和二氧化硅（SiO₂）分别在上方和下方进行绝缘。这种结构配合几层石墨烯带和掺杂的硅基板作为电极，使得电荷耗尽（Charge depletion)的精确控制成为可能。与传统的单门配置不同，双门操作能够独立控制电荷耗尽，从而减少了如Auger复合等非辐射衰减过程。

实现高量子效率

等离子体增强和双门操作的综合效果显著提高了量子效率。团队展示了他们的单光子发射器在量子效率上达到了90%，平均值为76%。这一成就显著优于之前的方法，后者在有效平衡辐射和非辐射衰减通道方面存在困难。得益于等离子体耦合和电荷耗尽技术，量子效率的提升归因于非辐射过程的抑制和辐射衰减速率的改善。

对量子技术的影响

本研究中的进展对量子技术领域具有深远影响。高量子效率的单光子源对于量子计算、量子密码学和量子通信等应用至关重要。能够产生光谱抖动和线宽最小的单光子，提高了光子的纯度和不可区分性，这对实际的量子信息应用至关重要。此外，相比于其他量子材料，像WSe₂这样的二维材料具有多个优势。它们不需要复杂的宿主介质或生长技术，其固有属性允许明亮的单光子发射，同时减少内部反射。这简化了量子光源在不同光学系统中的集成，可能推动量子光子电路和集成量子技术的发展。

未来方向和挑战

尽管蔡教授及其团队的工作代表了一个重大进展，但仍然存在一些挑战需要克服。其中一个主要挑战是实现长相干时间，这对于涉及多个单光子的量子操作至关重要。解决这一问题可能会导致更理想的量子光源，并扩展量子技术的实际应用。总之，将等离子体和双门技术集成到二维单光子发射器中标志着量子光学的重大进步。通过实现高达90%的量子效率并显著提升发射器性能，这项研究为更实用和可扩展的量子技术铺平了道路。随着这一领域的不断发展，本研究中展示的创新将可能在塑造量子信息和通信系统的未来中发挥关键作用。