单光子去淘金

2015年，一类称为过渡金属硫族化合物（TMD）的二维材料因其一次只产生一个光粒子的能力而成为科学界的焦点。这种单光子发射在具有结构缺陷的TMD中是一种自然的，而且有些随机的能力 – 这里和那里缺少原子，或者晶体应该是笔直均匀的皱纹。

研究人员迅速从观察TMD中的单光子发射转向尝试以一种可以按需产生相同效果的方式设计材料。最近在 《自然通讯》（Nature Communications）上撰文称，包括机械工程师吉姆·舒克（Jim Schuck）和吉姆·霍恩（Jim Hone）以及蒙大拿州立大学（Montana State University）鲍里斯实验室（Borys lab）在内的一个团队正在研究制造单个光子发射器。

他们小心翼翼地将称为二硒化钨（WSe₂）的TMD原子薄层放置在纳米金锥的尖端，这些金锥体在材料中产生微小的皱纹。这些皱纹产生了单光子发射的有力证据，特别是发生在室温而不是超冷温度下。

领导研究二硒化钨特性的工作是哥伦比亚大学工程学博士生Emanuil Yanev。在本次问答中，Yanev分享了关于单光子发射器的有趣之处，他从爱达荷州到纽约市的旅程，以及更多关于他自己和他在哥伦比亚大学的时光。

为什么我们需要单光子？

我们最近都听说过很多关于量子计算机的消息，但最终，我们将希望建立一个由它们组成的网络——本质上是一个量子互联网。单光子在保持其量子性质的同时，可以成为传输信息的真正重要元素。

你是怎么想到用金锥进行这项研究的？

我们一直在尝试使用应变来产生单光子。

在之前发表在 《自然纳米技术》上的一篇论文中，我们创造了“纳米气泡”，使二硒化钨紧张并引起局部光子发射，但我们意识到光线来自气泡周边非常小的皱纹，而不是气泡中心。我们认为一系列视锥细胞可以产生类似的皱纹，但以一种更强大和规范的方式，这样我们就可以更好地确定应变的确切来源以及光子的来源。用金等金属制作锥体也可以增强输出，就像天线一样。

我们可以肯定地说你可以在室温下产生单光子吗？

差不多。最终的证据是证明反聚束的相关性测量，其中统计表明同时发射两个光子的可能性为零。我们正在为此努力，但使用我们的纳米光学方法在技术上具有挑战性。

我们展示的是功率饱和，这是单光子发射的有力证据。我们通过将激光照射到锥体诱导的纳米皱纹上来激发二硒化钨。单个光子发射器不能吸收第二个光子，直到它发射出它已经从激光中吸收的东西，这需要一些时间。这意味着你达到了一个点，它无法跟上入射光子的速率，因此发射输出不再与激光输入成比例。

我们在室温下观察到工程样品的饱和行为。这是令人兴奋的，因为它表明，单光子有可能在没有昂贵的低温设备的情况下产生，到目前为止，这对于在TMD中实现单光子发射是必要的。

这项研究的下一步是什么？

为了演示反聚束，我们需要提高单光子发射的亮度，因此我们正在尝试不同的材料组合。我们也开始考虑优化设计，以便有朝一日我们可以将这些单光子源集成到电路芯片上——这是最终目标。

从更大的角度来看，我们还想从根本上了解这些材料中发生了什么。我们今天之所以拥有智能手机，是因为70多年来的努力已经发展了我们对硅的理解，硅是我们所有电子产品的材料。我们已经或多或少地将这项技术的规模推向了极限，所以现在是时候看看我们能用新材料做些什么了。

您的下一步计划是什么？

我的博士论文快要结束了，所以我开始写我的论文了。并寻找工作。我想转向量子计算行业。现在这是一个令人兴奋的领域。我花了很多时间做纳米加工，并在洁净室里工作，用这些2D材料制作基板和样品，我很想继续应用这种技能。

你的博士之路是怎样的？

我五岁时，我的家人从保加利亚搬到了美国，我们最终来到了爱达荷州。爱达荷州是一个成长的好地方，但它有点困，我想进入一个更大的城市，所以我报名参加了哥伦比亚的 3-2 联合计划计划。我在爱达荷学院学习了三年数学和物理，然后转到哥伦比亚大学学习了两年的工程学。

我从小就是一名工程师。我总是喜欢在我们的车库里修补和建造随机的东西。当我到达哥伦比亚大学时，我对纳米尺度的研究工作感到非常兴奋。我开始在 Jim Hone 的实验室工作，我决定留下来攻读博士学位，这是由 Jim Hone 和 Jim Schuck 共同建议的。

你在哥伦比亚大学过得怎么样？

在 Jim Hone 那里，我学到了很多关于纳米加工、2D 材料合成和样品制备的知识，在 Jim Schuck 那里，我学到了更多关于这些材料的光学表征和应用的知识。最初，我是两个实验室之间的桥梁，这是一个很好的机会：当我开始攻读博士学位时，Jim Schuck 刚刚来到哥伦比亚大学，所以我帮助教了很多小组成员如何使用 2D 材料制作样品，然后我们将进行光学研究。

我还曾在布鲁克海文国家实验室担任能源部科学办公室研究生研究员，在那里我有机会探索先进的纳米加工技术，例如低温等离子体蚀刻。

2D材料领域是一个高度协作的环境，与来自不同背景的人一起工作真的很有意义。来自机械工程、电气工程、材料科学、化学和物理学的研究人员聚集在一起解决问题。

你如何在实验室之外保持忙碌？

山地自行车，当您想到曼哈顿时，这通常不是首先想到的！我是纽约市山地自行车协会的董事会成员，该协会是一个非营利组织，负责建造和维护该市的大部分越野小径，并为儿童和成人提供免费的自行车诊所。

在我长大的地方，几乎每个人都有一辆自行车，但这里的情况并非如此。我们为那些原本没有机会骑车的纽约人提供了一个机会，同时也为徒步旅行者和更广泛的社区改善了公园。

有什么建议吗？

不要害怕失败。很多进入研究生院的人都是成绩优异的人，但研究与课堂上有很大不同——你会失败很多，而且你无法将其内化。仅仅因为你的实验不成功并不意味着你是失败的：这只是过程的一部分。事实上，当事情没有按计划进行时，就会有一些最伟大的见解和发现，所以要保持开放的心态！