研究人員同步掌握單光子與分子研究進展
莫斯科物理技術學院(MIPT)目前正在研究一種可發(fā)射單光子(用于破解網絡安全)的先進鉆石技術，以及可偵測單分子(用于早期檢測病原體)的石墨烯。盡管全世界的專家們也在解決這些埃(1納米的十分之一)級的問題，但卻很少有實驗室能同時在這兩方面取得進展。

MIPT 納米光學與電漿實驗室研究人員Dmitry Fedyanin與德國錫根大學(University of Siegen)研究人員Mario Agio連手，破解了堅不可摧的量子密碼中最令人頭痛的問題。藉由使用鉆石作為一個埃級量子編碼的光子之高速發(fā)射器，研究人員們開啟了高密度(即 100MHz高速)量子密鑰通訊之門。

雷射的光子版設計——spaser，以及石墨烯層(電解層上方的蜂窩晶格)。Spaser是透過主動(增益)介質(橘色部份)實現光學驅動。 （來源：MIPT）

“我們的研究重點在于設計和開發(fā)紅外線單光子源，它可在電泵下提供高強度的單光子射線，以及具有高能效、可在室溫與高溫下作業(yè)等特性，”Fedyanin表示。

目前，用于堅不可摧的密鑰單光子源(如量子點)，通常作業(yè)于極低速率——僅每秒幾個光子，使其光線極其暗淡。他們通常也需要被加以極度冷卻。MIPT以鉆石 為基礎的技術則能在室溫下作業(yè)，以及在華氏溫度約392度時秒產生1億個堅不可摧的量子密鑰，使得單光子源十分明亮且低成本。如果研究人員們能證實這項研究的可靠性，那么所有的量子加密公司可能都得被迫取這項技術授權。

然而，目前看來尚未達到目標。還有幾項工程障礙尚待克服，不過研究人員十分有信心，他們認為只要再經過幾年的研究開發(fā)，就能克服這些障礙。

早期原型階段的單分子檢測器，當時是用金屬來取代石墨烯 （來源：MIPT）

“我們的下一步是克服鉆石摻雜和色心植入的技術問題，這使我們無法從電驅動鉆二極管觀察真的超高亮度單光子發(fā)射，我們也開始致力于使單光子發(fā)射二極管更加微型 化。我們將縮減該組件的尺寸至幾百納米，以便能為線性的光量子計算機設計真正的納米級量子光學電路，并進一步實現光量子計算機單芯片。同時，我們想使用納米光 效應，以及利用微型人優(yōu)勢，提高該組件的擷取效率與量子良率，實現將近100%的效率，”Fedyanin表示。

采訪視頻：https://www.youtube.com/watch?v=hQ54k2Bg6RA
（來源：MIPT）

單分子檢測器

MIPT的科學家還打造出埃級的單分子檢測器，期望能用于早期癌癥檢測檢測以及非醫(yī)學應用領域，如在人、行李或密封的炸藥“嗅”出殘留爆裂物。根據量子力學效應，所用的材料并非鉆石，而是石墨烯的原子薄層。

“石墨已被證明是一種理想的電漿材料。相較于任何金屬，它能夠展現更好的電漿體定位與更低吸收。這兩種特性是制造傳感器時不可或缺的。換句話說，電漿在2D石 墨烯片上‘偵測’表面雜質的能力比在金屬表面更好。此外，石墨烯中的電漿存在于IR到THz頻率的光譜區(qū)，這是在有機化合物振動光譜中所能觀察到的特征譜線，”MIPT的另一位研究人員Alexander Dorofeenko表示。

然而，這項技也有尚待克服的工程挑戰(zhàn)。石墨烯就是用來克服無法易于建立駐波電漿。透過不同的預定義微結構，研究人員希望延展電漿的壽命，將其研究發(fā)現轉變成可用的超精密儀器。

在模擬中，使用量子力學方程式，研究者已經創(chuàng)建了一個表面電漿體發(fā)光二極管（SPED） - 激光的基于石墨烯的電漿體當量。被稱為墊片（電漿體激元激光）的MIPT團隊認為，關鍵是要檢測單個分子。

在進行模擬時，研究人員使用量子力學方程式，建立了一種表面電漿發(fā)射二極管(SPED)——基于石墨烯的雷射等量電漿。研究人員將它稱為spaser，并認為這將是檢測單分子的關鍵。

Dorofeenko表示，“我們正試著更加了解電漿激光器‘spasers’的運作，并確定石墨烯表面物質可產生最高感亮度的雷射模式。我們計劃用不同的2D材料來設計電漿傳感器，并探索各種可能應用，而目前的工作重點則在于開發(fā)一種基于金屬納米結構的類似傳感器?！薄?/p>

編譯：Susan Hong

本文為《電子工程專輯》原創(chuàng)，版權所有，謝絕轉載

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