科学家以创纪录30万倍亮度揭示隐藏的量子光态

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https://interestingengineering.com/science/dark-excitons-shine-quantum-control

纽约市立大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队成功破解了现代光学领域最具挑战性的难题之一，通过创新的纳米光学腔设计，将此前几乎不可见的暗激子发光强度提升了近30万倍。这一突破性成果不仅使科学家们首次能够观测和控制这些神秘的量子光态，更为下一代量子计算和光子学技术的发展开辟了全新路径。

暗激子作为存在于原子薄半导体材料中的特殊光物质态，长期以来一直困扰着科学界。它们的名称源于其极其微弱的发光特性，在正常条件下几乎无法被检测到。然而，正是这种"黑暗"特性赋予了暗激子独特的优势：它们拥有超长的寿命和与环境的极低相互作用，这些特点使其成为量子信息处理和精密传感应用的理想载体。

纳米工程的精密设计

研究团队的突破来自于一个精心设计的纳米级光学腔结构。该系统由金纳米管和仅有三个原子厚度的单层二硒化钨材料组成，这种超薄的二维半导体材料为暗激子的产生提供了理想的环境。通过在金纳米结构和半导体层之间插入纳米级的氮化硼分离层，研究团队成功保持了激子的量子特性，同时实现了前所未有的发光增强效果。

用于暗激子控制的等离子体异质结构图（左）谷歌量子计算机（右） 权佳敏 / 谷歌

该研究的首席科学家、纽约市立大学研究生中心杰出爱因斯坦物理学教授安德里亚·阿鲁表示，这种精密的分层结构设计是实现突破的关键。氮化硼层的厚度控制在纳米级别，既能防止金属结构对半导体材料的直接影响，又能最大化等离子体场的增强效应。这种微妙的平衡确保了暗激子在被放大的同时保持其固有的量子特性。

第一作者权佳敏强调，这项研究不仅观测到了已知的暗激子态，还发现了一个全新的自旋禁戒暗激子家族。这些新发现的量子态具有独特的光学和磁学性质，为探索二维材料中其他隐藏的量子现象提供了重要线索。

传统的等离子体增强技术往往会改变材料的本征特性，这限制了其在量子应用中的实用性。而新方法的独特之处在于，它在实现破纪录增强效果的同时，完全保持了半导体材料的自然属性。这一成就解决了纳米光子学领域长期存在的技术挑战，为等离子体-激子相互作用的应用开辟了新的可能性。

可控性的革命性突破

除了显著的发光增强外，研究团队还展示了对暗激子的精确控制能力。通过施加外部电场和磁场，可以按需调节暗激子的发射特性，包括发光强度、光谱位置和偏振状态。这种前所未有的控制精度为开发基于暗激子的量子器件提供了技术基础。

这种可控性的实现得益于暗激子独特的能级结构和自旋特性。与传统的亮激子不同，暗激子的光学跃迁受到自旋选择定则的限制，这使得它们对外场的响应更加敏感和可预测。通过精确控制外加场的强度和方向，研究人员能够实现对暗激子态的实时调控。

在量子信息处理方面，这种可控性具有重要意义。量子计算需要能够精确操控量子态的物理系统，而暗激子的长相干时间和低环境耦合特性使其成为理想的量子比特载体。通过电场调控，可以实现量子门操作和量子态的制备与测量，这为构建基于二维材料的量子处理器提供了新的技术路径。

应用前景与技术影响

这一突破性发现的应用前景极为广阔。在量子通信领域，可控的暗激子可以作为单光子源，用于构建安全的量子密钥分发系统。其长寿命特性确保了量子态在传输过程中的稳定性，而纳米级的空间分辨率使得高密度量子通信网络的构建成为可能。

在传感技术方面，暗激子对环境变化的敏感性可以被利用来开发超精密的传感器。由于暗激子与环境的相互作用极弱，它们能够探测到极其微小的扰动，这对于生物分子检测、化学分析和物理量测量具有重要价值。

片上光子学是另一个重要的应用方向。传统的光子器件受限于衍射极限，难以实现真正的小型化。而基于暗激子的纳米光子器件可以突破这一限制，实现在亚波长尺度上的光操控。这将推动光子集成电路的发展，实现更快速、更节能的光学信息处理。

该研究还为理解二维材料中的多体相互作用提供了新的视角。暗激子的形成涉及电子-空穴对的复杂相互作用，而这些相互作用在二维系统中表现出与三维材料截然不同的特性。通过对暗激子的深入研究，科学家们能够更好地理解低维量子系统的基本物理规律。

从技术发展的角度来看，这项研究代表了量子光学技术从基础研究向实际应用转化的重要步骤。30万倍的发光增强不仅是一个数字突破，更意味着暗激子技术已经达到了实用化的门槛。随着制备工艺的进一步优化和器件集成技术的发展，基于暗激子的量子器件有望在未来几年内实现商业化应用。

这一成果的发表标志着量子光学领域进入了一个新的发展阶段，为构建下一代量子技术平台奠定了坚实的科学基础。