在量子技术的未来，飞机和宇宙飞船可以由光的动量提供燃料。与现有处理器相比，量子计算机将以更快的速度和更高的能源效率处理从化学到密码学等复杂问题。但在这个未来实现之前，我们需要明亮的、随需应变的、可预测的量子光源。
研究人员研究了一种能够发射明亮量子光的材料。像这样的材料有一天会使量子计算机的发明成为可能，它将比现在的计算机更快、更有效率。(图片来源:Getty Images)
为此,斯坦福大学的一个团队材料科学家,物理学家和工程师,与哈佛大学和悉尼科技大学的实验室,一直调查六角氮化硼材料可以发出强光单个光子——光的量子单位。而且它可以在室温下做到这一点，这使得它比其他量子源更容易使用。
不幸的是，六边形的氮化硼有一个明显的缺点:它会发出彩虹般的不同颜色的光。“虽然这种辐射很漂亮，但目前还无法控制颜色，”该研究的第一作者、斯坦福大学(Stanford)材料科学与工程副教授詹妮弗·迪翁(Jennifer Dionne)实验室的研究生法利亚·哈耶(Fariah Hayee)说。“我们想知道多色排放的来源，最终的目标是控制排放。”
通过结合微观方法，科学家们能够追踪材料的彩色发射到特定的原子缺陷。由合著者、哈佛大学计算材料科学助理教授Prineha Narang领导的团队，还开发了一种新的理论，通过考虑光、电子和热在材料中的相互作用来预测缺陷的颜色。
“我们需要知道这些缺陷是如何与环境结合的，以及这些缺陷是否可以用来作为识别和控制它们的指纹，”哈佛大学纳兰实验室的研究生、该论文的合著者克里斯托弗·奇卡里诺(Christopher Ciccarino)说。
研究人员在3月24日出版的《自然材料》杂志上发表的一篇论文中描述了他们的技术和不同种类的缺陷。
多尺度显微镜
识别导致量子发射的缺陷有点像在一个拥挤的城市里找一个没有手机的朋友。你知道他们在那里，但你可以扫描整个城市来找到他们的准确位置。
通过扩展迪翁实验室开发的一种改进型电子显微镜的功能，科学家们能够将六方氮化硼的局部原子尺度结构与其独特的彩色发射相匹配。在数百次的实验过程中，他们用电子和可见光轰击材料，并记录下光发射的模式。他们还研究了六方氮化硼原子的周期性排列如何影响发射颜色。
他说:“我们面临的挑战是从一个看起来非常混乱的量子系统中梳理出结果。仅仅一个测量并不能说明全部。”Hayee说。“但综合起来，结合理论，数据非常丰富，并提供了这种材料的量子缺陷的明确分类。”
除了他们对六方氮化硼缺陷发射类型的具体发现外，该团队开发的收集和分类这些量子光谱的过程本身可能会改变一系列量子材料。
“材料可以以接近原子尺度的精度制成，但我们仍然不完全了解不同的原子排列如何影响它们的光电特性，”迪翁说，他还是热力学极限能量前沿研究中心(PTL-EFRC)的光子学主任。“我们团队的方法揭示了原子尺度上的光发射，并将其应用于一系列激动人心的量子光学技术。”
学科的重叠
虽然现在的重点是了解是哪些缺陷导致了量子发射的某些颜色，但最终的目标是控制它们的特性。例如，该团队设想了量子发射器的战略位置，以及为未来的量子计算机打开和关闭它们的发射。
这个领域的研究需要跨学科的方法。这项工作汇集了材料科学家,物理学家和电子工程师,实验和理论,包括托尼•海因茨斯坦福大学的应用物理学教授和光子在SLAC国家加速器实验室科学,Jensen和伊莲娜Vučković,黄教授在工程学院的全球领导地位。
“我们能够为创造具有可控属性的量子源打下基础，比如颜色、强度和位置，”迪翁说。“我们从几个不同角度研究这个问题的能力证明了跨学科方法的优势。”
本文的其他共同作者包括Heinz实验室的博士后学者Leo Yu和研究期间在Ginzton实验室的研究生Jingyuan Linda Zhang。其他合著者包括来自澳大利亚悉尼科技大学的研究人员。迪翁还是斯坦福大学生物x研究所的成员，该研究所是Precourt能源研究所的附属机构，也是斯坦福大学吴仔神经科学研究所的成员。Vučković也是电气工程教授和斯坦福Bio-X和成员的吴蔡神经科学研究所。
这项研究是由能源部，斯坦福大学的多样化学术，招募优秀的博士奖学金计划，国家科学基金会和贝蒂和戈登·摩尔基金会资助的。
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