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北大物理學院在氮化物基單光子源研究中取得重要進展

2020-11-19

單光子源是實現未來光量子技術(包括光量子計算、量子秘鑰分配等)的一種必要光源。迄今為止,已有多種結構和材料體系被用于實現高品質的單光子源。III族氮化物量子點具有發光波長覆蓋面廣和振子強度大的特點,有望實現室溫應用。然而氮化物量子點系統發展至今,總會存在難以控制的微小尺寸變化,進而導致不同發射體之間發射能量的相對較大的變化。因此,利用新材料或新技術開發單光子源的基礎研究至關重要。

針對這一難題,北京大學物理學院王新強、沈波、葛惟昆等與東京大學合作,發展出了一種由空間分離的InGaN單原子層嵌入在GaN薄膜中形成的新型量子發射器。研究團隊采用分子束外延制備出單原子層In(Ga)N結構 (Phys. Rev. Mater. 2018, 2, 011601),實驗觀測和計算結果皆證明In原子周期性地以In:Ga ~ 1:2的比例嵌入Ga原子矩陣中。為了進一步在空間上使得周期性的In原子分離,同時也提高光子的提取效率,通過納米壓印技術把平面結構圖形化,將其刻蝕成陣列式的柱狀結構。光學研究證明,所形成的單光子發射系統具有非常穩定的發光能量,強發光效率和高品質的二階相關度,為未來的光量子技術的發展提供了更多的可能性。

圖1. 可控可調節的InGaN單層嵌入GaN薄膜中形成的新型量子發射器

相關研究成果“Single photon emission from isolated monolayer islands of InGaN”于2020年9月9日發表于Light: Science & Applications (LIGHT-SCI APPL, 9, 159 (2020)). 第一作者為博士畢業生孫蕭蕭(現為蘇黎世聯邦理工學院ETH fellow),王新強教授和東京大學的Mark Holmes教授為論文通訊作者,沈波教授和葛惟昆教授參與和指導了本課題的工作。該研究成果得到了自然科學基金委、科技部、北京市科委等相關項目及北京大學人工微結構與介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心,量子物質科學協同創新中心和電子顯微鏡實驗室等的大力支持。

(來源:北京大學物理學院

 



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