利用可调纳米结构和低电压在室温下控制量子光

控制量子源发出的光的颜色或发射波长的能力是安全量子通信网络和基于光子的计算发展的核心。然而，大多数能够调谐量子光的系统都需要极端条件，例如高电压、强磁场，甚至低温环境

新加坡科技与设计大学（SUTD）副教授董兆刚领导的一项新研究发现了一种在环境条件下使用微小、可调的纳米结构和低压电气控制实现大量波长调谐的方法。这一发现发表在《先进材料》杂志上的一篇题为“通过表面增强朗道阻尼实现电可调和调制钙钛矿量子发射体”的论文中

该研究的核心是由钙钛矿量子点（QD）和纳米结构碲化锑（Sb₂Te 3）组成的混合系统，一种具有不同寻常的光学和电子特性的相变材料。董副教授的团队能够实现超过570meV的发光能量的显著转变，大大超过了之前只能进行微小调整的报告

“碲化锑是一种用途广泛的材料，”董副教授解释道。“它支持带间等离子体，可以在非晶相和结晶相之间切换，这使我们能够控制它如何与光和电子相互作用。当我们将其与高效钙钛矿量子点结合时，我们能够解锁发光的新行为。”

支持这一突破的关键机制之一是一种称为表面增强朗道阻尼的物理过程。在这种情况下，当受到光照时，晶体Sb22Te3纳米盘表面的微小共振会产生高能电子，即所谓的热电子。然后将这些热电子注入附近的钙钛矿量子点，改变它们发光的能级。这会导致发射光的颜色发生明显变化，而到目前为止，在室温下很难实现这一点

董副教授说：“朗道阻尼本质上使我们能够将集体振荡转化为纳米级的有用电能。”。“然后，这种能量可以驱动量子点的变化，使我们能够控制它们发出的光。这种机制是我们如何实现如此大的波长偏移的核心。”

更重要的是，该团队的设计不仅仅是被动可调的。当施加小的直流电压时，它们能够动态地控制量子发射的强度和波长。特别是，从-4伏到+4伏的电压扫描导致发射强度增加了22倍，同时发射能量发生了调制偏移。这种低功耗的电可调性使该平台对集成光子电路特别有吸引力

虽然早期的研究试图将量子发射器与纳米天线耦合以调整发射波长，但可调性的规模仍然很小，通常不超过10到20 meV。董副教授的团队取得了一个数量级的进步

他补充道：“我们观察到光谱从750纳米左右偏移到570纳米，这是此类平台中量子点有史以来最大的光谱偏移之一。这为可重构量子光源的未来提供了令人信服的概念证明。”

该系统的多功能性还源于Sb₂Te 3的独特相变行为。当处于非晶态时，材料的原子无序会抑制热电子注入，导致很少或没有调谐。但一旦结晶，结构化的表面支持向量子点的有效能量转移。这种可逆的相变提供了一种内置的开关功能，可以通过热或光控制，从而在下一代设备中开发可编程光源

展望未来，该团队计划通过瞄准单光子发射源来进一步改进他们的工作。他们的目标是开发精确的、可电重构的系统，即使在白天也能实现安全的量子通信，因为白天的背景噪声通常会干扰光子探测

董副教授说：“我们预计这将对现实世界的应用产生重大影响。我们谈论的是可以根据需要适应不同频率的光子器件，这可能会提高量子通信系统的可扩展性和性能。这离实用的集成量子光子电路又近了一步。”