翻转物理层压技术对 P（VDF-TrFE） 薄膜的表面形貌比较和影响。图片来源：ACS Nano （2024）。DOI： 10.1021/acsnano.4c10528

美国海军研究实验室 （NRL） 多学科团队开发了一种控制量子发射器的新范式，提供了一种在单个光子流上调制和编码量子光子信息的新方法。

量子光子学有望提供传统光无法实现的功能，并有望在安全通信、计量学、传感和量子信息处理和计算方面取得重大进步。

这些应用对量子发射器 （QE） 候选者提出了许多要求，包括发射器的确定性创建和放置、90-100% 的高单光子纯度，以及控制或调制此类发射的机制。

调制从这些离散发射器发出的光特性的能力提供了一种在单个光子流上编码信息的机制，可用于基于单个光子源的安全通信和量子加密方案。这项工作最近发表在 ACS Nano 上。

量子光子学是一门科学和技术，它将量子光学用于量子效应起重要作用的某些应用。它涉及在可以相干地控制光场的单个量子的状态下产生、操纵和检测光。QE，也称为单光子发射器，是这项技术的关键组件。

NRL 高级科学家兼首席研究员 Berend Jonker 博士说：“单层二硫化钨和二硒化钨等二维材料充当量子交换的宿主，它们的平面原子层状结构作为量子光子电路的材料平台提供了许多优势。“它们可以很容易地与其他材料和基材集成，并且 QE 靠近表面，有助于提取光以及通过外部效应控制发射。”

NRL 团队开发了一种非挥发性和可逆的程序来控制单层二硫化钨 （WS2） 通过将其与铁电材料集成。他们在 WS 中创建一个发射器2并且能够通过使用偏置电压切换铁电极化来切换高纯度量子光和半经典光之间的发射。单层 WS 中的局域发射极2铁电薄膜中的“上域”上发射高纯度量子光，而“下域”上的“域”发射半经典光。

“这种新颖的异质结构通过将铁电体的非易失性铁磁性与嵌入二维 WS 中的零维原子尺度发射器的辐射特性相结合，引入了一种控制量子发射器的新范式2半导体单层，“Jonker 说。

研究的样品由 WS 的单层膜组成2通过化学气相沉积生长并机械转移到有机铁电聚合物的 260 纳米薄膜上，该薄膜之前已转移到高掺杂硅衬底上。科学家们确定性地在 WS 中创建和放置量子发射器2使用 NRL 开发并获得专利的原子力显微镜 （AFM） 纳米压痕技术。

“实现 WS 之间的亲密接触2铁电薄膜至关重要，需要超光滑的铁电薄膜表面，“与 Jonker 合作的美国工程教育协会 （ASEE） 博士后研究员 Sungioon Lee 博士说。“因此，薄膜采用了旋涂和翻转工艺。”

“有机铁电聚合物是一种可变形的聚合物，”NRL 材料科学与技术部的研究物理学家 Ben Chuang 博士说。“当 AFM 针尖被移除时，WS2符合纳米压痕的轮廓，局部应变场激活 WS 中原子尺度缺陷态的单光子发射2."

对于顶部电触点，石墨被转移并部分覆盖 WS2，并使用导电压电力显微镜尖端施加偏置电压以切换 WS 下方铁电聚合物的极化2.

NRL 研究团队由博士后 Sungjoon Lee 博士组成;Hsun-jen Chuang 博士，研究物理学家;Kathy McCreary 博士，研究物理学家;Dante O'Hara 博士，材料工程师;Berend Jonker 博士，高级科学家;NRL Materials S&T 部门的所有成员;和 Andrew Yeats 博士，NRL 电子科技部的研究物理学家。

更多信息：Sung-Joon Lee 等人，单层 WS 中量子发射器的铁电调制2，ACS Nano （2024）。DOI： 10.1021/acsnano.4c10528

期刊信息： ACS Nano