俄克拉荷马大学的新研究解决了量子应用中常见的光发射问题。

量子光源本质上是不稳定的，通常会像遥远的恒星那样闪烁，或者随时间推移而变暗。然而，俄克拉荷马大学的一项新研究表明，在一种量子光源（即胶体量子点）上覆盖一层特殊涂层可以显著增强其稳定性。这一突破有望为更可靠、更具成本效益的量子技术铺平道路。

量子点（QDs）是极小的半导体颗粒。为了说明其尺度，如果将单个量子点放大到棒球的大小，那么棒球就会和月亮一样大。这些纳米材料的应用范围十分广泛，包括计算机显示器、发光二极管、太阳能电池、生物医学设备、量子计算和保密通信。

该研究由俄克拉荷马大学（OU）助理教授董一童领导，研究表明，在钙钛矿量子点上应用一层结晶分子层可有效中和表面缺陷并稳定其原子结构。这避免了常见的闪烁和褪色问题，确保了光输出的一致性和可靠性。

稳定且经济高效的解决方案

他说：“在量子计算领域，你必须能够控制任意给定时间发射的光子数量。量子点以不稳定而臭名昭著，因此我们致力于创造一种能够稳定其量子发射的晶体覆盖层。这种材料非常理想，因为使用起来既便宜又易于扩展，并且在室温下就能发挥高效作用。”

量子点历来存在几个问题。首先，它们的表面很容易产生缺陷。这些缺陷会导致量子点失效，通常仅在使用10-20分钟后便会失效。董和他的合作者所采用的晶体覆层可将量子点的连续光子发射时间延长至12小时以上，而且几乎不会衰减，也不会出现闪烁。

其次，传统上单光子发射器需要在极低的低温环境下运行。事实上，它们通常需要在华氏-452度（约摄氏-269度）的液氦环境中运行，这使得它们不适用于大多数实际应用。然而，这项研究表明，钙钛矿量子点在室温下就能实现近100%的效率。这一突破使得钙钛矿量子点的使用变得更加容易、便宜和吸引人。

董（Dong）说：“尽管这种材料奇异的光学特性确实引起了人们的极大兴趣，但制造单光子发射器所需的精密程度在成本上却令人望而却步。”“但是，由于钙钛矿量子点可以在常温下使用，且合成成本极低，我们相信它们有可能成为未来量子计算和量子通信设备的光子芯片光源。”

董表示，这些发现为未来的量子发射器设计奠定了基础，而未来的量子发射器设计将不再局限于这种特定的材料或分子结构。

他说：“在我看来，我们的研究对量子领域有着深远的影响。我们已经找到了一种使用有机和无机分子晶体来稳定这些量子点的方法，这为其他人探索这些材料的基本光学特性和基本物理原理打开了大门。这真的很令人兴奋。”

参考文献：《迈向无闪烁、光稳定的钙钛矿量子点》，作者：米晨佳、加文·C·吉、钱斯·W·兰德尔、申东勋、马修·L·阿特贝里、诺夫鲁兹·G·阿赫梅多夫、拉米亚·希达耶托娃、杰西·D·迪森索、叶伟德、陈斌、邵艺涵、董亦同，发表于2025年1月2日，《自然-通讯》。DOI：10.1038/s41467-024-33519-7

本研究部分资金由美国能源部科学办公室基础能源科学项目（项目编号：DE-SC0024441）提供。