中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)教授任希鋒等人與新加坡國立大學(xué)教授仇成偉、博士郭強(qiáng)兵等合作，在二維材料非線性量子光源研究中取得重要突破。研究成果1月4日發(fā)表在《自然》雜志上。

　　小型化、集成化是解決空間光學(xué)量子系統(tǒng)穩(wěn)定性差、不可擴(kuò)展等問題的理想方案，也是光學(xué)量子計(jì)算、量子通訊等走向大規(guī)模和實(shí)用化的必經(jīng)之路。量子光源作為量子光學(xué)系統(tǒng)必不可缺的部分，其小型化一直是人們研究的重點(diǎn)。任希鋒前期與南京大學(xué)等單位合作，將超構(gòu)表面引入到量子信息領(lǐng)域，集成超構(gòu)透鏡陣列與非線性光學(xué)晶體，實(shí)現(xiàn)了100路徑參量下轉(zhuǎn)換，制備了超高維量子糾纏態(tài)和多光子源。

　　為了進(jìn)一步提高量子光源的集成化程度，任希鋒與新加坡國立大學(xué)等單位的合作者一起，首次利用新型二維材料NbOCl₂的非線性過程實(shí)現(xiàn)了超薄的量子光源，厚度可低至46nm。

　　二維材料的層內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而原子層間的相互作用力要弱很多。基于這種特性，單層二維材料可以在保持原子尺度厚度的同時(shí)也保持物理性質(zhì)的穩(wěn)定，使得二維材料可以穩(wěn)定且靈活地與各種微納尺度光學(xué)器件直接耦合，因此被廣泛應(yīng)用在集成光子芯片的各個(gè)重要組成部分之中。常見的二維材料（WS₂、WSe₂等）雖然具有很大的二階非線性系數(shù)，但是單層厚度太薄（<1nm）,從而導(dǎo)致整體產(chǎn)生的非線性信號強(qiáng)度很低。如果增加材料的層數(shù)，又會由于多層堆疊造成的空間對稱性使得二階非線性過程減弱甚至消失。

　　在本研究中，合作者們采用了一種新型NbOCl₂材料，它不僅具有常見單層二維材料所特有的高二階非線性系數(shù)，更重要的是它的層間電子耦合弱并且空間結(jié)構(gòu)非對稱。這種特性使得它的二階非線性信號強(qiáng)度會隨著二維材料的層數(shù)的增加而增加，可超過單層二維材料WS₂倍頻強(qiáng)度兩個(gè)數(shù)量級以上。

　　合作者們進(jìn)一步測試了多層NbOCl₂二維材料的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程。實(shí)驗(yàn)中采用404 nm波長的連續(xù)激光器（最大泵浦功率59 mW）泵浦二維材料，收集下轉(zhuǎn)換過程所產(chǎn)生的808 nm附近波長參量光。二階關(guān)聯(lián)函數(shù)g（2）測試結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2，證明該過程產(chǎn)生了非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的光子對。合作者們也對參量光信號強(qiáng)度隨二維材料厚度的變化關(guān)系進(jìn)行了測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)期完全吻合。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)中證實(shí)厚度低至46 nm的該材料也能制備量子光源，這是目前國際報(bào)道的最薄的非線性量子光源。這項(xiàng)研究不僅為光學(xué)量子信息研究提供了一種可集成的量子光源，也為二維材料的非線性研究開辟了一個(gè)新的方向。

　　該工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省以及中國科大的資助。

　　論文鏈接

圖一：NbOCl₂晶體的結(jié)構(gòu)測試，單層厚度約0.65nm

圖二：NbOCl₂二維材料的倍頻二階非線性過程測試

圖三：基于NbOCl₂二維材料的量子光源