量子通信新突破：纳米级圆偏振单光子流发射器

一项来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的新研究表明，利用二维材料堆叠的创新纳米级器件，可以在不需要外加磁场的情况下产生和控制圆偏振的单光子流。这一技术的突破有望推动量子通信领域的进一步发展。相关研究成果已发表于Nature Materials。

纳米级量子光发射器

开创性的实验

迄今为止，要产生圆偏振单光子流通常需要将量子发射器与复杂的纳米级光子或电子器件相耦合，或者需要在发射器周围应用大型超导磁体产生高磁场。这使得实现这一目标变得非常复杂和昂贵。

然而，在这项新的研究中，由物理学家Han Htoon领导的团队采用了一种全新的方法。他们将单分子厚的半导体材料二硒化钨（WSe2）层叠加在磁性晶体三硫化镍磷（NiPS3）的薄层之上。然后，研究人员在这一异质结构堆叠上制造了仅有400纳米宽度的压痕。

实验成果

这一方法的核心是通过压痕在材料中产生势能的凹陷，将电子空穴对（激子）限制在WSe2层内。这些激子能够在激光激发下发射单光子流。此外，压痕还会破坏底层NiPS3的磁性，产生一个指向异质结构之外的局部磁矩。这种磁矩和激子的“邻近效应”结合起来，创造了圆偏振光子流。

此实验的难点在于要在NiPS3这种反铁磁半导体中创造圆偏振光子流并不容易。这是因为NiPS3中的镍离子的自旋通常相互抵消，导致磁矩几乎为零。为了克服这一问题，研究员人员使用原子力显微镜的尖端在堆叠层中制备精密的纳米级的压痕，从而得到了最高效的圆偏振单光子流。

潜在应用

这一突破具有重大潜力，因为信息可以在光子的偏振状态中进行编码。因此，这一技术可能应用于量子通信，包括量子密码学和量子计算。此外，研究人员还计划寻找最佳方法，通过光学、电学或微波手段来调制单光子流的圆偏振度，为量子通信领域的未来发展打开了崭新的可能性。