“最薄”非線性量子光源首次實現

中國科學技術大學網站消息，中國科學技術大學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，在二維材料非線性量子光源研究中取得重大突破。1月4日，研究成果以《Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl2 crystal》為題發表在Nature上。

小型化、集成化是解決空間光學量子系統穩定性差、不可擴展等問題的理想方案，也是光學量子計算、量子通訊等走向大規模和實用化的必經之路。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。任希鋒教授前期與南京大學等單位合作，將超構表面引入到量子信息領域，集成超構透鏡陣列與非線性光學晶體，實現了100路徑參量下轉換，製備了超高維量子糾纏態和多光子源[Science 368, 1487 (2020)]。

為了進一步提高量子光源的集成化程度，任希鋒教授與新加坡國立大學等單位的合作者一起，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46nm。

圖一：NbOCl2晶體的結構測試，單層厚度約0.65nm。

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，因此被廣泛應用在集成光子芯片的各個重要組成部分之中。常見的二維材料（WS2、WSe2等）雖然具有很大的二階非線性係數，但是單層厚度太薄（<1nm）,從而導致整體產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。

在本研究中，合作者們採用了一種新型NbOCl2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係數，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着二維材料的層數的增加而增加，可超過單層二維材料WS2倍頻強度兩個數量級以上。

圖二：NbOCl2二維材料的倍頻二階非線性過程測試。

圖三：基於NbOCl2二維材料的量子光源。

合作者們進一步測試了多層NbOCl2二維材料的自發參量下轉換過程。實驗中採用404 nm波長的連續激光器（最大泵浦功率59 mW）泵浦二維材料，收集下轉換過程所產生的808 nm附近波長參量光。二階關聯函數g（2）測試結果遠遠超過2，證明該過程產生了非經典關聯的光子對。合作者們也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。值得注意的是，實驗中證實厚度低至46 nm的該材料也能製備量子光源，這是目前國際報道的最薄的非線性量子光源。這項研究不僅為光學量子信息研究提供了一種可集成的量子光源，也為二維材料的非線性研究開闢了一個新的方向。

郭強兵博士（新加坡國立大學博士後）、祁曉卓（中國科學技術大學博士生，現就職於天津工業大學）、Lishu Zhang（新加坡國立大學）、高猛（中國科學院大學）為本工作並列第一作者。新加坡國立大學郭強兵博士、中國科學技術大學任希鋒教授、新加坡國立大學仇成偉教授、Stephen J. Pennycook教授和Andrew T. S.Wee教授為該項成果的並列通訊作者。我校郭光燦院士、吳贇琨博士為論文合作作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術大學的資助。