近日，我学院祁晓卓老师在《自然》（《Nature》）上发表题为《Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl2 crystal》的研究成果。
小型化、集成化是解决空间光学量子系统稳定性差、不可扩展等问题的理想方案，也是光学量子计算、量子通讯等走向规模化和实用化的必经之路。量子光源作为量子光学系统必不可缺的部分，其小型化一直是人们研究的重点。为了进一步提高量子光源的集成化程度，祁晓卓与新加坡国立大学等单位的合作者一起，首次利用新型二维材料NbOCl2的非线性过程实现了超薄的量子光源，厚度可低至46 nm。
二维材料的层内晶体结构稳定，而原子层间的相互作用力要弱很多。基于这种特性，单层二维材料可以在保持原子尺度厚度的同时也保持物理性质的稳定，使得二维材料可以稳定且灵活地与各种微纳尺度光学器件直接耦合，因此被广泛应用在集成光子芯片的各个重要组成部分之中。常见的二维材料（WS2、WSe2等）虽然具有很大的二阶非线性系数，但是单层厚度太薄（<1 nm）,从而导致整体产生的非线性信号强度很低。如果增加材料的层数，又会由于多层堆叠造成的空间对称性或吸收效应使得二阶非线性信号减弱甚至消失。
在本研究中，合作者们采用了一种新型NbOCl2材料。它不仅具有常见单层二维材料所特有的大二阶非线性系数，更重要的是它的层间电子耦合弱并且空间结构非对称。这种特性使得它的二阶非线性信号强度会随着二维材料的层数的增加而增加，可超过单层二维材料WS2倍频强度两个数量级以上。
图1 NbOCl2二维材料的倍频二阶非线性过程测试。
图2 基于NbOCl2二维材料的量子光源。
合作者们进一步测试了多层NbOCl2二维材料的自发参量下转换过程。实验中采用404 nm波长的连续激光器（最大泵浦功率59 mW）泵浦二维材料，收集下转换过程所产生的808 nm附近波长参量光。二阶关联函数g（2）测试结果远远超过2，证明该过程产生了非经典关联的光子对。合作者们也对参量光信号强度随二维材料厚度变化关系进行了测量，实验结果和理论预期完全吻合。值得注意的是：实验中证实厚度低至46 nm的该材料也能制备量子光源，这是目前国际报道的最薄的非线性量子光源。这项研究不仅为光学量子信息研究提供了一种可集成的量子光源，也为二维材料的非线性研究开辟了一个新的方向。
该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的资助，以及中国科技大学微纳加工中心的支持。
郭强兵博士（新加坡国立大学博士后）、祁晓卓（中国科技大学）、Lishu Zhang（新加坡国立大学）、Meng Gao（中科院大学）为本工作并列第一作者。新加坡国立大学郭强兵博士、中国科学技术大学任希锋教授、新加坡国立大学仇成伟教授、Stephen J. Pennycook教授和Andrew T. S.Wee教授为该项成果的并列通讯作者。该项成果为祁晓卓老师在中国科学技术大学攻读博士期间与合作者共同完成。《自然》杂志是全球顶尖综合性学术刊物，影响因子在69以上。
祁晓卓老师获得博士学位后2022年8月入职十大网赌排行，继续从事量子光学方面的研究。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05393-7
撰稿人：祁晓卓 审稿人：陈琮、廖帮全