Room-Temperature Quantum Emission from Boron Nitride Nanotubes

在兴起的量子技术领域，信息不再由电流传输，而是由被称为光子的单个光粒子携带。为了构建下一代计算机、安全通信网络和超灵敏传感器，科学家需要一种可靠的方法来逐个生成这些粒子。实现这一任务的理想来源是单光子发射器：这是一种存在于固体材料中的微小缺陷，当受到光激发时，它会精确地一次释放一个光子。多年来，研究人员一直将六方氮化硼（一种扁平的二维材料）视为这些发射器的理想宿主。虽然这种材料表现良好，但其扁平的特性带来了工程难题：将一层薄片精确地放置在微型电路之上非常困难，且其中发现的发射器往往在颜色产生上存在缺失。此外，这些扁平发射器可能不稳定，会难以预测地闪烁（忽亮忽灭），从而干扰信息的流动。

一支研究团队现在将注意力转向了同种材料的一种不同形状：氮化硼纳米管。想象一下，这种材料被卷成了一个微小的中空圆柱体，形成了一种既坚硬又极其纤细的一维结构。在最近的一项研究中，该团队调查了这些纳米管是否可以作为更优越的单光子发射器之“家”。通过在一台专门的显微镜下观察一批纳米管，他们发现这些纳米管不仅能够承载这些量子源，而且表现出了卓越的多功能性。研究人员发现，这些管子可以在整个可见光谱内发射光，填补了以往在扁平材料中存在的颜色空白。或许最重要的一点是，管内的发射器闪烁频率远低于且开关速度比扁平材料中的对应物快得多，这为开发无需在极低温下运行的更稳定、更高效的量子器件提供了路径。

这项研究始于一个简单的问题：纳米管独特的几何形状能否解决扁平材料的局限性？研究人员获取了氮化硼纳米管并将其放置在硅表面上。利用一台可以将光聚焦在单个点上的高功率显微镜，他们扫描了这些纳米管以绘制光发射的分布图。他们发现这些管子并不均匀，而是点缀着一些发光明亮的特定斑点。这些斑点就是单光子发射器。当团队分析来自这些斑点的光时，他们发现了色彩丰富的变化。这些发射器产生的光涵盖了从深紫色到深红色的范围，覆盖了人类肉眼可见的全光谱。这是一个至关重要的发现，因为此前关于扁平氮化硼的研究表明，某些颜色是缺失或极其罕见的。纳米管似乎提供了一个连续的量子光谱调色盘。

为了确认这些斑点确实是在发射单光子，研究人员使用了一种测量光子到达探测器方式的技术。如果一个光源同时发射两个或更多光子，到达时间将会是随机的。然而，如果是一个真正的单光子源，光子会一个接一个地到达，并且在它们之间有明显的停顿。测量结果显示了清晰的停顿，证明了这些纳米管确实在充当真正的单光子发射器。团队还测量了发射器在受到激发后释放光子的时间。他们发现这个过程发生得极其迅速，有些发射器仅用0.5纳秒就能释放一个光子。这大约是扁平氮化硼中最快发射器的两倍速度。在量子通信领域，速度就是一切；更快的发射意味着可以在更短的时间内发送更多数据。

然而，如果来源不可靠，仅仅靠速度是不够的。许多固态发射器都面临着被称为“闪烁”的问题，即光源会随机关闭和开启，或者轻微改变颜色。这种不稳定性通常是由发射器与其环境（如空气中的氧气或其他污染物）的相互作用引起的。为了解决这个问题，研究人员尝试了一个简单而有效的方案：他们用一层氧化铝涂层包裹了纳米管，这种材料常用于保护精密的电子设备。他们使用一种称为原子层沉积的精确方法制造了一层仅1.5纳米厚的薄膜，像保护壳一样包裹住纳米管。

涂层的效果立竿见影且效果显著。闪烁停止了。来自发射器的光变得稳定且一致，没有出现未涂层管中观察到的随机波动。涂层还提高了光的纯度，确保发射器不太可能意外释放出两个光子。虽然涂层导致了光色的极轻微偏移（从706纳米移动到709纳米），但这种变化是微小且可预测的。更重要的是，光源的稳定性显著提高，使发射器能够更长时间地保持在激发态并更可靠地释放光子。研究人员指出，这种稳定性对于构建复杂的量子电路至关重要，因为在这些电路中，闪烁的来源可能会导致计算或通信错误。

这些发现的影响不仅限于发现一种新材料。纳米管本身的形状为工程师提供了实际优势。与面积较大且难以精确定位的扁平薄片不同，纳米管是一个直径约为60纳米的长而细的圆柱体。这个尺寸足够小，可以放入微芯片最狭窄的空间中，但又足够大，以便于操作和精准放置。由于一根管子可以在其长度上的不同点承载多个发射器，这为信息的封装提供了一种新途径。单根纳米管可以作为一个多通道源，沿着单一路径发送不同颜色的光，这种技术被称为波分复用。这可以极大地提高量子通信系统的带宽。

研究人员还强调，这些发射器可以在室温下工作。许多量子系统需要接近绝对零度的温度才能运行，这使得它们既昂贵又笨重。氮化硼纳米管无需如此极端的冷却即可高效运行的事实，是使量子技术走向日常实用化的重要一步。虽然这项研究并未解决该领域的每一个挑战，但它证明了这些纳米管是一个可行且充满希望的平台。它们提供了扁平材料难以企及的速度、稳定性和光谱覆盖能力。通过证明这些一维结构可以承载高性能量子发射器，这项工作为量子光子的未来提供了一种新的架构选择，表明通往可扩展量子器件的路径可能隐藏在微小管状结构的简单而优雅的几何形状之中。