“最薄”非線性量子光源首次實現

記者8日從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊任希鋒教授等人與新加坡國立大學仇成偉教授、郭強兵博士等合作，首次利用新型二維材料NbOCl2的非線性過程實現了超薄的量子光源，厚度可低至46奈米。這是目前國際報道的最薄非線性量子光源。研究成果日前發表于《自然》雜誌。

量子光源作為量子光學系統必不可缺的部分，其小型化一直是人們研究的重點。二維材料的層內晶體結構穩定，而原子層間的相互作用力要弱很多。基於這種特性，單層二維材料可以在保持原子尺度厚度的同時也保持物理性質的穩定，使得二維材料可以穩定且靈活地與各種微納尺度光學器件直接耦合，因此被廣泛應用在整合光子晶片的各個重要組成部分之中。常見的二維材料雖然具有很大的二階非線性系數，但是單層厚度太薄，從而導致整體産生的非線性信號強度很低。如果增加材料的層數，又會由於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。

基於此，研究人員採用了一種新型材料，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，更重要的是它的層間電子耦合弱並且空間結構非對稱。這種特性使得它的二階非線性信號強度會隨著二維材料層數的增加而增加，可超過單層二維材料倍頻強度兩個數量級以上。

科研人員進一步測試了多層二維材料的自發參量下轉換過程。實驗中採用404奈米波長的連續鐳射器泵浦二維材料，收集下轉換過程所産生的808奈米附近波長參量光。測試結果證明該過程産生了非經典關聯的光子對。對參量光信號強度隨二維材料厚度的變化關係進行了測量，實驗結果和理論預期完全吻合。

該研究成果不僅為光學量子資訊研究提供了一種可整合的量子光源，也為二維材料的非線性研究開闢了一個新的方向。