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【成果介绍】
固态单光子发射器（SPEs）是量子信息科学中的重要组成部分，其在量子通信和计算中具有关键作用。特别是二维过渡金属二硫化物（TMDCs），如二硒化钨（WSe
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），由于其原子级厚度和独特的电子结构，在SPE领域中备受关注。然而，实现SPE的单位量子效率（η=1）仍然是一个挑战，这是因为非辐射衰减过程对SPE亮度的限制。
当前的研究表明，通过等离子体耦合可以增加SPE的辐射衰减率，从而提高亮度。然而，要接近单位量子效率，必须抑制非辐射衰减。传统方法无法有效地解决这一问题。
因此，为了克服这一挑战，新加坡南洋理工大学高炜博教授课题组在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Charge-depletion-enhanced WSe
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quantum emitters on gold nanogap arrays with near-unity quantum efficiency”的最新论文。他们提出了使用双栅配置下的电荷耗尽策略。他们在二维WSe
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量子发射器中成功地通过施加大电场，驱赶电荷并抑制了非辐射衰减过程。
通过这种方法，研究团队显著提高了SPE的过渡量子效率，平均值达到了76.4% ± 14.6%，甚至有些SPE接近单位量子效率（超过90%）。这一创新不仅提供了调控SPE亮度的新途径，还为进一步的理论和实验研究提供了动力，特别是在垂直对齐纳米间隙的SPE增强方面。
【研究亮点】
1. 等离子体耦合增强效应：通过与金纳米间隙等离子体共振的WSe
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单层结构，实现了局部激子的辐射衰减率增强。这种方法利用了普尔塞尔效应，显著提高了SPE的发射亮度。
2. 电荷耗尽抑制非辐射衰减：利用双栅配置的电场调控，成功驱使WSe
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单层中的电荷远离局部激子，从而抑制了非辐射衰减过程。这一策略使得SPE的寿命和量子效率得到显著提升。
3. 高量子效率的实现：在经过电荷耗尽处理后，部分SPEs的过渡量子效率达到了76.4% ± 14.6%的平均值，并且有些SPEs甚至接近于单位量子效率（超过90%）。这一结果表明，通过电场控制，可以实现对SPE量子效率的有效提升。
4. 二维材料的优势利用： 利用WSe
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等二维材料的原子厚度特性，成功抑制了自由激子的非辐射衰减路径，特别是抑制了与局部激子相关的非辐射三元子生成和激子-电荷奥古尔复合的发生。这展示了二维材料在SPE研究中的独特优势和应用潜力。
【图文解读】
图1：等离激元纳米阵列增强的WSe
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单光子源的栅压调控原理图和器件结构图。
图2.
通过等离激元增强的WSe
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单光子源。
图3. 栅压调控的WSe
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单光子源以及其量子效率测量。
图 4：栅压调控增强WSe
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单光子源发光强度的电荷耗尽机理。
【结论展望】
以上研究揭示了在二维材料中实现单光子发射器（SPEs）高效增强的关键策略，通过结合等离子体耦合和电荷耗尽的双重机制，显著提升了SPEs的光致发光强度和量子效率。这一研究不仅为量子信息科学的发展提供了新的技术基础，也展示了如何利用先进的材料设计和纳米技术控制方法，实现在芯片上可控、高亮度的量子发射器。通过电场调控非辐射衰减，研究人员不仅提升了SPEs的性能，还为其在量子通信和光学计算等前沿应用中的潜在应用提供了重要的突破。此外，对电荷载流子在二维异质结构中的控制也为新型光电子器件和能源转换技术的研发提供了新的意义。
文献信息：
Cai, H., Rasmita, A., He, R. et al. Charge-depletion-enhanced WSe
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quantum emitters on gold nanogap arrays with near-unity quantum efficiency. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01460-9
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