想像一下，當一個開關小到只由幾個原子組成，並能夠精確地逐粒釋放光子。這些微小的開關稱為量子發射器（quantum emitters），被視為未來技術的核心組件，例如量子電腦、超安全通訊網絡和極為敏感的傳感器。多年來，科學家們一直在努力理解和控制這些發射器，但這種情況即將改變。最近，美國的研究人員揭示了在超薄材料中，以原子精度識別、設計和放置單光子源的過程。這一成就消除了量子材料科學中最大的障礙之一，使實用的量子設備更接近現實。
量子發射器通過按需釋放單個光子來工作，這種能力對於量子技術至關重要，因為它依賴於對光和信息的絕對控制。問題在於可見性和控制性。負責這些發射器的確切原子缺陷極其微小，難以觀察。科學家們只能研究它們如何發光或檢查其原子結構，但無法同時做到這兩點。研究的作者之一、阿岡國家實驗室的材料科學家簡國文表示，研究量子發射器的挑戰在於它們的光學行為受原子結構的影響，而直接觀察原子結構非常困難。這一基本限制長期以來使得量子發射器變得神秘且難以設計。
然而，這項新研究最終通過一種智能方法克服了這一取捨。研究人員專注於六方氮化硼（hexagonal boron nitride），這是一種超薄的二維晶體，厚度僅幾個原子，且已知能夠宿主量子發射器。他們使用了一種強大的定制儀器，稱為 QuEEN-M（量子發射器電子納米材料顯微鏡）。這種先進的顯微鏡將原子級成像與一種稱為陰極發光（cathodoluminescence，CL）光譜技術相結合。簡單來說，研究人員將一束緊密聚焦的電子束射向材料，當電子撞擊晶體中的缺陷時，該缺陷會釋放光。通過研究釋放光的顏色和亮度，科學家們能夠精確了解哪些原子結構是負責的。
這種方法解決了長期以來的問題。通常，研究光的發射需要較厚的樣本，而研究原子結構則需要極其薄的樣本。QuEEN-M 使研究人員能夠同時進行兩者，將光的發射直接與特定的原子缺陷聯繫起來。更重要的是，研究人員還發現，將六方氮化硼的層以特定角度扭轉，會產生特殊的“扭轉界面”，這極大地增強了量子發射器的光信號，有時增強幅度可達 120 倍。這種更強的信號使得定位發射器變得非常精確，甚至可以精確到小於 10 奈米。
利用這種增強的精度，研究人員確定了藍色量子發射器的原子結構，發現它實際上是由兩個碳原子垂直堆疊在晶體內部的碳二聚體。此外，研究人員表示，一旦能夠將原子結構與光的釋放連結起來，就能夠精確地設計這些量子發射器。“這意味著我們現在可以使用電子束按需創建和調整它們，”研究的作者之一、阿岡的科學家托馬斯·蓋奇表示。
這項工作標誌著從僅僅發現量子發射器到有意設計它們的重大轉變。能夠精確地將單光子源放置在所需位置對於構建可擴展的量子設備至關重要。此外，依賴精確定位量子發射器的芯片可以更高效地處理信息、安全地傳輸數據，並以最小的損失放大信號。然而，儘管取得了進展，仍然存在挑戰。該技術目前依賴於高度專業化的顯微鏡，這限制了立即的大規模生產。未來的研究將專注於使這些方法更具可擴展性，以及探索不同的原子結構如何影響光子的行為。該研究發表在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上。
