Nature | 超薄非线性量子光源

本文由论文作者团队（课题组）投稿

量子信息技术是目前国际竞争趋于白热化的战略技术。各个大国都在持续加码量子技术。研究量子信息的物理体系包括超导、半导体、离子阱以及光量子。其中光量子作为信息载体（或量子比特）具有独特的优势，例如更长的消相干时间、编码信息的维度多、单比特操纵简单、传输速度快等。光量子技术在量子通讯、量子计算、量子模拟和量子精密测量等领域发展迅速。

光量子技术关于光量子信号的产生、存储、编码、调制、传输和检测的技术，其中首当其冲的是光量子信号的产生，即量子光源。量子信息的几乎任何过程都离不开纠缠态，而纠缠态的制备是关键。基于自发参量下转换过程（SPDC，一种光学非线性过程）产生纠缠光子对，因其制备过程可控性高且纠缠纯度高，是目前实验上比较常用且成熟的方法。在SPDC过程中，单色泵浦光子因真空量子涨落在二阶非线性光学晶体内会以一定概率分裂成两个能量较低且构成纠缠态的光子对，分别为信号光子（signal）和闲频光子（idler）如下图1所示。该光子对具有时间纠缠、频率纠缠和偏振纠缠等特性。

图1：自发参量下转换（SPDC）过程示意图

图源：www.nist.gov

目前SPDC量子光源主要基于二阶非线性（χ⁽²⁾）光学晶体，如β-BBO, LiNbO₃等。一方面，这些晶体的非线性系数较低，因而一般需要较大体积的晶体以保证足够长的与光作用距离；另一方面，这些晶体都是三维共价成键的晶体，很难集成到目前主流的CMOS兼容的光量子芯片平台（如硅、氮化硅等）上。而对于光量子技术来说，小型化、集成化是走向实用化的必经之路。因此，对于光量子芯片尤其是混合集成的光量子芯片来说，目前构建可片上集成的纠缠量子光源还是一个重要挑战。其中的一个关键原因是缺少高非线性效率且易集成的材料体系。

以过渡金属硫族化合物（Transition metal dichalcogenides, TMDCs）为代表的二维范德华（van der Waals, vdW）材料因其单层极高的二阶非线性系数以及vdW材料本身的易集成的特点被寄予厚望。然而由于TMDCs单层的绝对非线性效率太低（χ⁽²⁾系数虽高，但与光作用长度极短），无法满足实际的器件工作需求。更令人失望的是，TMDCs一般只有奇数层（奇数层是非中心对称的结构，偶数层是中心对称结构）才有二阶非线性光学效应，并且由于层间电子耦合引起电子结构随层数显著变化而带来χ⁽²⁾系数随层数快速衰减，也即最强的非线性发生在单层，因此TMDCs材料在非线性光子器件方面的表现还远未令人满意。其他二维vdW材料如PdSe₂、3R-MoS₂等也存在奇偶层数依赖的对称性或者层间电子耦合导致χ⁽²⁾系数随层数显著降低的问题。因此，目前为止还没有一种能保持单层高非线性系数且非线性效率随层数可扩展的二维vdW材料。

近日，新加坡国立大学郭强兵博士、仇成伟教授、Stephen J. Pennycook教授、Andrew T. S. Wee教授、中科大任希锋教授及合作者以“Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl₂ crystal”为题，在Nature发表论文，报道了一种新型二维vdW材料--NbOCl₂晶体（图2）。

图2：结构表征

图源：Nature 613, 53–59 (2023). 

作者发现该晶体的层间电子耦合极弱，且具有较高的χ⁽²⁾系数，更关键的是其非线性效率随层数是可扩展的。基于较强且随层数可扩展的光学非线性，作者首次构建了基于vdW材料的SPDC量子光源，并且在厚度薄至约46 nm的纳米片中也观察到明确的SPDC过程，为目前已报道的最薄的非线性量子光源。该工作为开发基于vdW材料的超紧凑的片上纠缠光源、经典和量子光学高性能调制器等开辟了一条全新的道路。

第一作者：新加坡国立大学郭强兵博士、中科大祁晓卓博士、新加坡国立大学Zhang Lishu博士、国科大高猛博士

通讯作者：新加坡国立大学郭强兵博士、仇成伟教授、Stephen J. Pennycook教授、Andrew T. S. Wee教授，中科大任希锋教授

极弱的层间电子耦合及显著的激子效应

TMDCs体系如MoS₂单层为直接带隙，而两层及以上均为间接带隙，并且带隙值也随层数明显变化。电子结构随层数增加明显变化这一特征在二维半导体中是较普遍的，层间电子耦合较强的代表如黑磷、PdSe₂等（图3c）。层间电子耦合引起不同层数的电子结构的变化会带来相应的一系列光电性质的变化，比如单层中的激子效应和χ⁽²⁾系数随层数增加而显著降低。

相比目前已报道的二维vdW材料，该工作首次发现NbOCl₂具有极弱的层间电子耦合，表现为单层和块体的带隙极为接近（图3a和b），单层到块体的带隙变化甚至比ReS₂（另一种公认的具有相对较弱层间耦合的二维材料）的还小。另外，基于GW+BSE计算，作者还发现单层NbOCl₂具有非常显著的激子效应，激子结合能高达0.8 eV；更有意思的是，块体中也存在与单层相当的激子效应（激子结合能也高达0.76 eV），也就是说在块体NbOCl₂中保持了单层的显著激子效应。

图3：极弱的层间电子耦合

图源：Nature 613, 53–59 (2023). 

各向异性且可扩展的倍频响应

作者研究了NbOCl₂的二阶非线性光学性质，发现其具有很强的倍频（SHG）响应，并且SHG具有明显的各向异性（图4a-d）。更关键的是，SHG的强度随层数增加，且很好的满足与层数的二次方关系（图4e-f）。并且进一步计算表明，χ⁽²⁾系数与层数没有明显依赖的关系（图4g），这也印证了前面提到的该材料的电子结构对层数不敏感。值得注意的是，作者发现，NbOCl₂中可获得随层数扩展的远高于单层WS₂中的SHG响应，如约110nm厚的NbOCl₂的SHG强度约为单层WS₂的10³倍。

图4：各向异性且可扩展的SHG响应

图源：Nature 613, 53–59 (2023). 

参量光子对的产生

基于NbOCl₂强且可随层数扩展的二阶光学非线性，作者首次研究了其中的SPDC过程。二次相关函数测试表明在404 nm激光激发下，观察到g⁽²⁾(0)值明显大于2，表明产生的是关联光子对，而空白衬底在时间延迟零点并没有观测到g⁽²⁾峰出现，表明关联光子对的产生来自材料本身。进一步的SPDC光联光子对产生的证据包括g⁽²⁾值随激发功率呈倒数关系（图5c,d），与理论完美符合。偏振实验表明，激发光和产生的信号光、闲频光子的偏振都沿着晶体的b轴方向（图5f）。光子对符合速率与激发功率的依赖关系也与理论一致（图5g，h）。值得说明的是，当激发功率为约59 mW时，实验探测到的符合速率为86 Hz，考虑探测系统的探测效率后，计算估计的符合速率的品质因子高达9800 GHz W⁻¹m⁻¹，比常见的SPDC材料体系如BBO、LiNbO₃等高了数个量级。另外，作者还在薄至约46nm的薄片上观察到了明确的SPDC信号，为目前已报道的世界最薄的非线性量子光源。

图5：基于SPDC的非经典参量光子对产生

图源：Nature 613, 53–59 (2023). 

未来展望

作者报道了一种新的二维范德华晶体。一方面，该材料具有可随层数扩展的极强的二阶非线性光学效应，相比其他已报道的二维材料以及传统χ⁽²⁾晶体，在构建小型化、可集成的量子光源以及经典和量子光学调制器等开辟了一条全新的道路。未来，通过进一步优化器件结构或者结合谐振结构的设计，在如SPDC源亮度以及偏振特性调控方面还有巨大的可探索空间。

另外，NbOCl₂具有的极弱层间电子耦合以及块体中类单层的显著激子效应等特性，区别于目前已报道的其他二维材料体系，将为凝聚态物理研究者，尤其是二维材料研究者提供了一个独特的研究对象，有望产生一些新的物理。另外，对于二维材料异质结的构建来说，NbOCl₂作为一个全新的候选“模块”，其特性有望带来一些新的器件概念。

  论文信息  

Guo, Q., Qi, XZ., Zhang, L. et al. Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl₂ crystal. Nature 613, 53–59 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05393-7

文章来源：中国光学