空间分辨率接近量子极限的激光制造

自飞秒激光作为三维（3D）处理工具的早期演示以来，已经制造出具有激发光学、电子、机械和磁性功能的微器件，从而实现了从3D量子光子集成电路到智能微机器人的新概念

在过去的十年里，该领域的许多努力都致力于提高制造空间分辨率，并且已经报道了基于多光子吸收、激励发射耗尽、远场诱导的近场增强和光激发诱导的化学键合效应的几十纳米特征尺寸。然而，先进的应用，如单电子晶体管、单光子发射器（SPE）、单原子存储器或量子比特器件，需要更高的制造空间分辨率（小于10nm，远远超过光学衍射极限）

在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，清华大学精密仪器系精密测量技术与仪器国家重点实验室的孙洪波教授带领的一个科学家团队，及其同事已经提出并通过实验证明了使用阈值跟踪和锁定（TTL）方法的接近原子尺度的制造；实现了5nm，~λ/100，接近量子极限

通过这种方法，研究人员可以实现接近单位产量的单光子源制造，具有高的位置精度和最小的晶格损伤。这些单光子源表现出高亮度、高发射纯度和高稳定性

这种接近原子规模的激光制造代表着可扩展量子光子技术向前迈出的重要一步。科学家们总结了TTL技术的原理：

“这个想法是使用额外的激光脉冲（探测光）来精确跟踪在初始脉冲（制造光）下发生的是原子级还是接近原子级的损伤目标材料的固有损伤阈值被精确地锁定。值得一提的是，这种反馈方法不依赖于仪器的检测灵敏度，并且可以准确锁定纳米级激光制造目标材料的固有损伤阈值。”

单光子色中心的确定性创建。来源：光线：科学与应用（2024）.DOI:10.1038/s41377-023-01354-5单光子单色中心的高再现性、高亮度和高耐久性。来源：Light：科学与应用（2024）。DOI:10.1038/s41377-023-01354-5

“我们证明，这项工作中的激光制造精度已经达到量子极限，这是继光学衍射极限之后的一个新的里程碑。当激光能量接近近原子级损伤阈值时，单个原子的激光烧蚀不一定发生在焦斑的几何中心。”

“这是因为，在这种极限状态下，激光能量提供的梯度（高斯分布的顶部）将非常平坦。激光能量梯度定义的击穿区域将失效，局部原子烧蚀将随机发生在某个区域（～几纳米，具体值与目标材料有关），这将由局部电子的位置和能量波动主导，而不是由入射激光的功率密度斜率主导。“

”通过TTL技术，可以实现具有纳米级定位精度的单光子源的近单位产率制造。同时，这些单光子源表现出优异的特性，包括高亮度（每秒发射近千万个光子）、高发射纯度和高稳定性。“

”这一结果表明，近原子级激光制造在量子器件应用方面具有很高的潜力。