无液氦低温强磁场共聚焦显微镜

材料：WSe₂等半导体

主要仪器：无液氦低温强磁场共聚焦显微镜

检测指标：偏振微腔中寻求**单光子源、 利用高品质量子点单光子源构建量子计算原型机

实验结果：

偏振微腔中寻求**单光子源

    单光子源是未来量子信息器件的基础单元。先进的实现方法要求单光子源必须同时具有GX以及不可分辨性。为了优化固态单光子源，ZG科技技术大学的潘建伟院士以及陆朝阳教授团队，展示了从椭圆微柱器件发出的无背景（双干涉激发）且具有不可分辨性的极性单光子源。实验中的光学测量，是基于德国attocube公司的无液氦闭循环低温恒温器attoDRY2100以及共聚焦显微镜attoCFM I进行的。通过测量，课题组展示了Z前沿的椭圆微柱器件发出的极性单光子源具有60%的效率，并且不可分辨性高达0.975。该单光子源S次实现了20个光子的量子光学实验，寻求实现量子霸权。

上图: a） 椭圆微柱器件； b）器件发光光谱；c ）光谱中M1,M2模式的极性研究

参考文献：

1. Chaoyang LU, et al. Towards optimal single-photon sources from polarized microcavities, Nature Photonics, 13, 770–775 (2019)

2. Chaoyang LU, et al. Coherently driving a single quantum two-level system with dichromatic laser pulses, Nature Physics, 15 , 941–946 (2019)

■  利用高品质量子点单光子源构建量子计算原型机

    ZG科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳等在量子计算机研究方面取得了里程碑式的突破，相关研究结果被国际权威学术期刊《自然光子学》接收。在光学体系，我国科学家团队S次实现利用高品质量子点单光子源构建了量子计算原型机，并且演示了其超越经典电子计算机（ENIAC）与晶体管计算机（TRADIC）的计算能力，向真正的“量子计算霸权”时代迈出了重要的一步。在此次量子计算实验中的单光子器件（GX率的单光子源）的制备，陆老师课题组使用了德国attocube公司的attoDRY系列低温恒温器，低温位移台与扫描台，低温物镜等设备。

上图：光量子计算机线路图

参考文献：Chaoyang LU et al., High-efficiency multiphoton boson samp领，Nature Photonics, 11, 361–365 (2017)

■  量子调控在芯片平台上实现基于二维材料的有序GX量子光源

无液氦闭循环低温恒温器attoDRY1100+attoCFM

    来自史蒂文斯理工学院Stefan Strauf教授组报道了一种新的制备GX率量子发射器的方法，用于在芯片平台上创建大量的量子光源。该方法具有有序可控以及量子产率高的特点，不仅为不可破解的加密系统开发铺平道路，而且还为量子计算机的研发提供了可能的技术方案。该项工作成果发表在Nature Nanotechnology.

图1：在芯片上任意位置按需创建量子光源的示意图

    蓝宝石衬底上分布了有序分布的金颗粒（立方体）阵列，单层WSe2被转移到衬底上，三氧化二铝分隔层与金镜子也被加入实验的设计。理论与实验证明了单光子发射器存在于每个金颗粒的四角处。实验发现单光子发射器实现了每秒发射4200万个光子，创历史新高。

参考文献：Nature Nanotechnology 13,1137–1142 (2018)

■  磁场光致发光谱表征二维晶体材料单光子发射性质

    单光子发射是研究量子光学的核心技术。现有的单光子发光材料局限于一维与三维材料，二维材料中存在的单光子发射现象将为量子光学研究提供一个新的研究平台。

    潘建伟院士课题组利用attocube公司的低温强磁场光学显微镜（attoCFM)研究发现了二维晶体材料单层二硒化钨（WSe2)中存在的由于缺陷态引起的单光子发射现象。首先，通过低温磁场下对微米尺寸单层样品的光致发光谱精细扫描成像可以发现样品某些位置存在超窄发光光谱。超快激光光致发光谱的测量研究证实了该处发光点为单光子发射。随着低温强磁场下（改变磁场，改变入射光左旋与右旋性质等实验技术）进一步对光致发光谱的表征发现在零磁场下样品存在0.71meV的能量差并且该材料中存在超大激子g参数。经过分析，该单光子发射很可能是由中性激子被缺陷态束缚在二维晶体中引起的。

    作者预见该单光子发射中的物理机制的进一步证实与该材料中存在的超大激子g参数的理解都可能是未来很有挑战性的工作。该低温强磁场中的共聚焦光学技术很有希望帮助科学家更加深入的理解二维材料中的单光子发射现象,从而使量子光学技术（例如结合光子晶体来控制单光子的发射率）的实际应用成为可能。 

参考文献：He, Y.-M.; et al. Single quantum emitters in monolayer semiconductors. Nature Nanotechnology 2015, 10, 497-502.

■  低温磁场Raman光谱研究石墨烯中磁声共振现象

    石墨烯的发现为基础物理研究提供了一个二维材料的平台。石墨烯在磁场中的磁激子（能级间跃迁）与晶体中声子存在磁声共振现象，该现象的理解需要更多的实验来帮助分析。

    Caiyu Qiu等人利用attocube公司的低温强磁场共聚焦光学显微镜(attoCFM)对石墨块衬底上的单层石墨烯进行了系统分析。结果表明，磁场下Raman光谱可以表征磁激子与石墨烯中声子的相互作用。具体地，低温下单层石墨烯的Raman光谱随着磁场发生了明显的变化。在磁场为4.65T左右的时候，由于磁声共振现象的存在，Raman光谱具有独立的三个峰存在。另外，把所有0-9T下不同磁场的光谱集合成光谱强度随磁场与光谱能量变化的二维图像可以发现，至少8个Raman活性且能量随磁场变化的磁激子被实验观察到。

    作者还发现，不同质量（不同声子寿命，朗道能级寿命）的石墨烯样品有不同程度的磁声共振现象。该实验对高质量石墨烯样品的制备与石墨烯甚至其他二维晶体材料的广泛潜在应用会有巨大帮助。

参考文献：

1.Qiu, C.; Shen, X.; et al. Strong magnetophonon resonance induced triple G-mode splitting in graphene on graphite probed by micromagneto Raman spectroscopy. Physical Review B 2013, 88, 165407.

2.Faugeras, C.; et al. Magneto-Raman Scattering of Graphene on Graphite: Electronic and Phonon Excitations. Physical Review Letters 2011, 107, 036807.

■  低温强磁场下研究石墨烯中光电流产生机制

    能带弯曲与载流子浓度非均一分布会影响载流子运动与散射，是影响量子霍尔效应的重要物理机制。可压缩与不可压缩载流子浓度已经被证实存在于石墨烯中，但是它们对石墨烯中量子霍尔效应的具体影响还需进一步研究。通过对石墨烯在低温磁场下的光电流成像分布的实验可以探究上述问题。

    G.Nazin等人利用attocube公司低温强磁场共聚焦光学显微镜(attoCFM)研究了4.2K与9T磁场下的石墨烯中光电流分布，以及该分布随载流子浓度分布的具体变化。具体地，通过调节偏置电压可以调节载流子浓度，从而光电流分布也随之被调节。分析实验数据我们发现一般石墨烯中光电流随偏置电压成像结果是一个四页的区域分布。首先，通过改变载流子浓度可以改变填充因子，因此样品中载流子种类（电子或者空穴）被改变。另外由于电子与空穴的热载流子也同时存在于样品中，所以光电流所偏置电压的实验数据成像结果构成了一个四页区域。在样品为电学中性的时候，是一个特殊的区域，实际我们只观察到了一个两页的结果。此时，改变偏置电压不仅改变了载流子种类，而且改变了能带弯曲，因此光电流的极性没有受到改变。

    综上所述，石墨烯中光电流受热载流子影响，同时也对填充因子十分敏感。作者预见，使用同样的低温磁场下光电流的方法去研究悬空石墨烯器件中的载流子性质能进一步加深对该现象的理解。 

参考文献：Nazin, G.; et al. Visualization of charge transport through Landau levels in graphene. Nature Physics 2010, 6, 870-874.

■  低温下研究半导体量子点中电场调制光致发光

    量子点三个维度的尺寸大小都在百纳米以内，因而具有显著的量子限制效应。由于量子效应，量子点通常具有分立的能级而非连续能级。量子点被认为在太阳能电池、发光器件、光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。

    K.Kleemans等人利用attocube公司的低温强磁场共聚焦显微镜研究了低温4.2K下半导体InAs/GaAs量子点中的电场调制光致发光现象。结果表明，半导体量子点的光致发光光谱能量随偏置电压的变化可以发生变化，在偏置电压为负0.3V的时候，量子点达到电中性并且发光光谱能量达到Zda值。结合理论计算与实验数据分析，该量子点的光致发光机制主要存在两种（马汉激子与混合激子发光）。在负偏置电压下，引入空穴，量子点的两个空穴与单个费米电子的库伦作用形成马汉激子。在正偏置电压下，引入电子，引入电子与光子激发形成的电子空穴对形成混合激子。

    该工作通过低温下电场调制的光致发光研究半导体量子点中的多体问题,进而开拓了一种有效研究近藤效应与固体材料中电子自旋相关光激发态的实验方法。作者预见，该实验结果对量子点在光电器件、量子信息技术等方面的实际应用具有重要的推动作用。

参考文献：Kleemans, N. A. J. M.; et al. Many-body exciton states in self-assembled quantum dots coupled to a Fermi sea. Nature Physics 2010, 6, 534-538.

■  石墨烯低温Raman拉曼测量

    在（9T，4K）下对石墨烯进行磁-拉曼测量，结果表明E₂g声子的共振杂化展现出非常丰富的拉曼散射谱，并随磁场强度发生显著变化。

    上图显示了在发生杂化的E2g声子和（-2，+1）与（-1，+2）磁激发区域，拉曼谱随磁场的具体变化情况。通过以600nm分辨率对7umX7um区域和不同散射锋的测量（红移，声子ZX峰位出现在5.3T），揭示了石墨烯在红移部分，图像发亮；而在E2g峰附近的拉曼散射图像发暗。