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项目名称:基于胶体量子点的室温电激发高纯度单光子源

申报单位:光电科学与工程学院   人:方伟

项目简介

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单光子源指的是在一个确定的时间内最多只能发射一个光子的量子光源。高品质的单光子源是实现量子通信、光量子计算机等光量子信息技术的基础,而基于实用化、集成化的目的,实现室温下电驱动的单光子源一直是科学家们追求的目标。然而之前室温电驱动单光子源仅有的几个实现方案都是基于单个缺陷的发光,不仅器件制备工艺复杂,杂乱的背景荧光也降低了单光子的纯度。光电学院的方伟副教授通过跟浙大化学系彭笑刚、金一政团队的合作,首次实现了室温下基于胶体量子点的电驱动高纯度的单光子源。这种新型的量子光源通过溶液旋涂法制备,其中作为光子发射体的单个胶体量子点被包裹在一个PMMA绝缘薄层中。这一绝缘层即阻止了电子-空穴输运层的直接接触而产生背景杂光,又平衡了电子和空穴注入量子点的速率,从而保证了高纯度的单光子的产生。这种制备工艺简单、工作电压低且单光子纯度高的量子光源为实用化的室温单光子源的实现开辟了一条新的道路。研究成果于2017年10月发表在《Nature Communications》期刊上,被《科技日报》(2017年11月21日头版)及多家网络媒体头条报导。

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科学解读

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高品质的单光子源是实现光量子信息技术的基础。浙江大学光电学院方伟与化学系金一政、彭笑刚合作,首次实现了室温下基于胶体量子点的电驱动高纯度单光子源,为研发实用化、集成化的单光子源开辟出一条新路。

研究论文Electrically-driven single-photon sources based on colloidal quantumdots with near-optimal antibunching at room temperature(doi: 10.1038/s41467-017-01379-6)于2017年10月26日发表于Nature Communications。论文第一作者为博士生林星、戴兴良、濮超丹。

单光子源与我们日常所见的传统光源大为不同。方伟副教授的实验室主页上写着一句话:“太阳用连续的光谱展示多彩的天地万物,我们用一两个光子探索神奇的量子世界。”太阳光、电灯等发出的都是“抱团”的光子,而单光子源顾名思义,它在确定的时间内最多发射一个光子。光子“单行”,才能实现量子通信、光量子计算机等新一代技术所依赖的量子效应。

设计制造出可集成化、使用方便的理想的单光子源一直是科学家们追求的目标。在凝聚态领域,目前主流的方法有自组织量子点与金刚石色心等两种体系,但面向实际应用,仍然充满着局限与巨大挑战。2014年起,方伟、金一政、彭笑刚等学者联手,另辟蹊径,尝试用胶体量子点来制造新型的单光子源。

胶体量子点是一种已知的发光性能极好的纳米晶体材料。科学家需要实现的目标是:如何让单个的量子点在室温下通过电激发,高效地发出一个光子。在量子点中,如果电子与空穴复合,就会发出光子。由于通常状态下,半导体材料中的电子比空穴“跑”得快得多,想要在单个量子点中制造和谐的“复合”,必须想办法平衡两者速率。 

浙江大学现代光学仪器国家重点实验室里,记者看到了一片片指甲盖大小的透明器件,厚度不到一毫米的结构中,包含了科学家巧妙的设计:他们将单个的胶体量子点用绝缘层包裹起来。这个绝缘层放慢了电子的“步伐”,同时也阻止了电子与空穴的直接复合而产生“杂光”。在2.6v电压的驱动下,单个的胶体量子点成功被激发,屏幕上看到的针尖大小的亮点,正是胶体量子点发出的一个个“单行”的光子。这一巧妙的设计,成功保证了高纯度单光子的产生。

方伟介绍,制备新型量子光源不需要苛刻工作环境,样品的制备可以通过便捷的溶液旋涂法完成的。在光量子技术实用化、集成化的需求面前,这一新型光源纯度高、制备工艺简单、工作电压低等特征展现出了特别的优势。研究团队认为,随着目前胶体量子点合成技术的快速发展,他们将进一步改进技术路线,并有信心为真正实现量子信息应用做出贡献。

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项目团队

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  • 评论人:吴仍茂 评论时间:2018-04-24
    0
    评论内容:支持方老师!
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-24
    0
    评论内容:方伟老师好棒!
  • 评论人:徐颖鑫 评论时间:2018-04-24
    0
    评论内容:值得成为10大
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-22
    0
    评论内容:好工作,值得十大。胶体量子点为未来集成化的单光子源开辟新的途径
  • 评论人:姚妮 评论时间:2018-04-22
    0
    评论内容:室温下用电驱动得到高纯度单光子源,太令人激动的工作了,为未来集成化的单光子源开辟了新的可行方案,值得十大。
  • 评论人:曹野 评论时间:2018-04-19
    0
    评论内容:值得成为十大
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-19
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    评论内容:非常棒的工作,胶体量子点可以说是高性能室温单光子源的一大希望。
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-19
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    评论内容:基于胶体量子点来实现单光子源的工作,还实现了室温下的激发,这一突破意义重大,为将来单光子源的大规模制备和发展开创了新的方向,也充分利用了胶体量子点的优势。
  • 评论人:田科伟 评论时间:2018-04-19
    0
    评论内容:电子和空穴注入量子点的速率,从而保证了高纯度的单光子的产生。这种制备工艺简单、工作电压低且单光子纯度高的量子光源为实用化的室温单光子源的实现开辟了一条新的道路。
  • 评论人:王伟 评论时间:2018-04-18
    11
    评论内容:值得成为十大