『人物专访』Shengxi Huang：缺陷如何促进二维材料成为单光子发射器

日前，《物理世界》杂志有幸采访了来自莱斯大学电气与计算机工程系的副教授Shengxi Huang。在她的实验室里，德国PicoQuant公司提供的高性能MicroTime 100光致发光显微镜和FluoTime 300荧光光谱仪正发挥着关键作用，助力团队开发了高效的单光子发射源二维材料。

在我们的三维世界中，即便是最薄的纸张也具有一定的厚度。然而，美国莱斯大学的Shengxi Huang教授却对二维材料这一特殊领域情有独钟。这类材料的独特之处在于其仅有一个原子层的厚度，堪称真正的二维结构。石墨烯可能是最著名的例子，它是由碳原子组成的单层六边形晶格。但自从石墨烯于2004年首次问世以来，其他各种二维材料，特别是氮化硼，也相继问世。

作为一名电气工程师， Huang在麻省理工学院获得博士学位，并在斯坦福大学从事博士后研究，之后在宾夕法尼亚州立大学担任了五年的助理教授。自2022年起，Huang一直在莱斯大学工作，现在是电气与计算机工程系、材料科学与纳米工程系以及生物工程系的副教授。

她在莱斯大学的研究小组目前有 12 人，包括 8 名研究生和 4 名博士后。他们有的是物理学家，有的是工程师，有的则具有材料科学或化学背景。但他们都对了解量子材料的光学和电子特性以及如何将它们用作生化传感器等方面有着共同的兴趣。正如她在接受《物理世界》杂志采访时解释的那样，Picoquant 的实验室设备在帮助他们实现这一目标方面起着至关重要的作用。

为电气工程领域的科研人员，我对二维材料的着迷源于其独特的应用潜力。虽然一些电气工程师专注于通信和计算等领域，但像我这样的人则更感兴趣于如何利用基础物理来构建有用的设备，例如半导体芯片。我特别感兴趣的是利用二维材料制造光电子器件和作为单光子发射器。

我特别感兴趣的材料是过渡金属二硫化物，它们由一层过渡金属原子夹在两层硫族原子——硫、硒或碲——之间组成。最常见的例子之一是二硫化钼，其单层形式是在钼层的两侧各有一层硫。在多层二硫化钼中，三层之间的范德华力相对较弱，这意味着这种材料被广泛用作润滑剂——就像石墨一样，石墨是石墨烯的多层版本。

过渡金属二硫化物具有一些非常有用的光电特性。特别是，当组成“激子”的电子和空穴复合时，它们会发光。由于这些二硫化物非常薄，它们发出的大部分光都可以被利用。相比之下，在三维材料中，大部分光是在材料的内部深处产生的，无法穿透到表面之外。因此，这种二维材料非常高效，而且可以很容易地集成到基于芯片的设备上，例如波导和空腔。

过渡金属二硫化物材料在电子应用方面也具有很大的潜力，特别是作为晶体管中的活性材料。多年来，我们一直遵循摩尔定律，硅基晶体管变得越来越小，但我们很快就会达到一个极限，无法再进一步缩小它们的尺寸，部分原因是电子在非常薄的硅层中移动速度非常缓慢。相比之下，在二维过渡金属二硫化物中，电子迁移率实际上可以高于相同厚度的硅，这使它们成为未来晶体管应用的一种前景广阔的材料。

单光子可用于量子通信和量子密码学。它们携带0和1的信息，基本上充当一个量子比特，提供一个非常安全的通信信道。单光子对量子传感甚至量子计算也很有意义。但至关重要的是，你需要有一个高度纯净的光子源。你不希望它们与 “经典光子 ”混在一起，因为经典光子--比如来自太阳的光子--是成串发射的，否则你试图执行的任务就无法完成。

我们通过在二维材料中引入原子缺陷来赋予它与块体不同的光学特性。有几种方法可以做到这一点。一种是用离子或电子照射样品，这可以将个别原子撞击出来，产生“空位缺陷”。另一种选择是使用等离子体，样品中的原子被等离子体中的原子所取代。

我们可以通过一种叫做光致发光的技术来探测缺陷发射，这种技术主要是用激光束照射材料。激光将电子从基态激发到激发态，促使它们发光。由于激光束的直径约为500-1000 nm，如果缺陷密度合适，我们可以看到来自单个缺陷发射的单光子。

我们首先在原子层面上对材料进行工程设计，引入正确的缺陷类型。还尝试对材料施加应力，这可以增加一次发射的单光子数量。一旦确认正确的位置即可引入了正确的缺陷，并通过光致发光等光学测量来检查材料是否正在发射单光子。最后，我们对单光子的纯度进行鉴定——理想情况下，它们不应与经典光子混合，但实际上，永远不可能有100% 纯度的光源。由于单光子是逐个发射的，它们与经典光具有不同的统计特性。同时，还要检查源的亮度和寿命、效率、稳定性以及光子是否偏振。事实上，我们有一个反馈循环：我们可以在原子水平上进行哪些改进，以获得我们想要的特性？

这相当具有挑战性。如果你想要在一个可能只有一平方微米的区域内添加一个缺陷，就需要非常精细地控制原子结构。由于二维材料在原子结构上很薄，而且非常脆弱，因此难度更大。如果工程设计不当，可能会意外引入其他类型的缺陷，从而改变缺陷的发射。

由于缺陷浓度如此之低，我们不能使用通常用于表征材料的方法，例如X射线光发射光谱或扫描电子显微镜。相反，最好和最实用的方法是看看缺陷是否产生了理论预测的正确类型的光学发射。但即使这样也很具有挑战性，因为我们与计算小组合作进行的计算可能并不完全准确。

我们有两台主要设备——MicroTime 100 光致发光显微镜和 FluoTime 300 荧光光谱仪。这些设备被定制成Hanbury Brown Twiss干涉仪，用于测量单光子源的纯度。还使用显微镜和光谱仪来表征光致发光光谱和寿命。本质上，如果材料发出光，我们就可以计算出发射光在消逝之前需要多长时间。

关于设备采购的问题，我们并非直接购买现成的标准产品。这套系统更像是一个定制化的解决方案，由多个专业组件——包括激光器、显微镜、探测器等——根据我们的实验需求进行系统集成。在与PicoQuant公司合作过程中，我们详细沟通了具体的实验要求，经过多次技术讨论和方案优化，最终打造出这套完全符合我们研究需求的定制设备。这种量身定制的优势在于：一方面能够支持我们进行多种类型的精密测量，另一方面也确保了系统的高通量测量能力，这对我们开展重复性实验研究至关重要。

我们目前使用的最佳单光子源是氮化硼，在室温下其单光子纯度为98.5%。换句话说，每200个光子中只有三个是经典光子。对于过渡金属二硫化物，在低温下我们得到了98.3%的纯度。

关于下一步的研究计划，我们将重点关注以下三个方向：首先，继续优化单光子发射器的性能，特别是探索如何精确调控不同波长的单光子发射；其次，深入研究这些二维材料在量子传感领域的应用潜力；最后，我们将尝试通过精确控制特定原子缺陷，构建高质量单光子源，将其与它们的自旋纠缠起来。这样，发射器就能以比经典传感方法更好的性能监测本地磁环境。