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中国科大实现电泵单分子单光子发射及其单光子源陈列

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  近日,中国科学技术大学单分子科学团队董振超研究小组,通过发展与扫描隧道显微镜(STM)相结合的单光子检测技术和分子光电特性调控手段,首次清晰地展示了空间位置和形貌确定的单个分子在电激励下的单光子发射行为及其单光子源阵列。研究成果发表在《自然·通讯》上。

  单光子源研究是量子信息领域的核心内容之一,清晰可控的高密度单光子源阵列更是构建量子芯片器件和量子网络的关键。在众多的单量子发光体(包括半导体量子点、原子、分子、色心等)中,单分子体系由于其发光频率易于调控、谱线较窄、且发光行为具有高度的均一性而受到广泛的关注。另一方面,电泵单光子源还在纳米光电集成和相关量子器件方面具有潜在的应用前景。但是,单分子体系的电泵单光子源研究,受到实验技术和荧光淬灭效应的制约,难以实现从空间位置和形貌确定的单个分子产生强而稳定的单分子电致发光信号。因此,基于单个孤立分子的电泵单光子发射行为未能得到清晰明确的展示。

  研究小组致力于发展将STM高空间分辨表征与光学技术高灵敏探测相结合的联用技术,通过巧妙调控隧道结纳腔等离激元的宽频、局域与增强特性,拓展了测量极限,为在单分子水平上观测和调控分子的光电行为提供有力手段。针对电泵单分子单光子源研究面临的挑战,科研人员经过实验探索,优化了荧光分子与脱耦合层材料的选择与构造,精确调控了纳腔等离激元的增强特性,利用隧穿电子的局域激发,获得了来自氯化钠脱耦合层表面上的单个孤立酞菁分子的电致分子荧光,使其强度和稳定性可以实现展示光子相关特性的符合计数测量。他们发现,电泵单分子发光表现出明显的光子反聚束效应,所测量到的二阶相关函数在零延迟时的数值均小于0.5,单光子发射的纯净度指标最好可以小到0.09,达到电泵单光子发射的国际先进水平。这表明电泵单分子发光具有单光子发射特性。科研人员利用STM的单分子操纵能力,构筑二维3×3分子阵列(分子间距约为4.4纳米),并依次对阵列中每个分子的光子相关特性进行测量。他们发现,所有分子均表现出近乎全同的单光子发射特性,实现了高密度单光子源阵列的构造和展示。这些研究结果为在纳米尺度研究金属附近分子的光物理现象提供了新手段,也为研发面向光电集成量子技术的电泵单分子单光子源提供了新思路。

  左图为STM诱导单个分子电致发光的实验示意图;中间图为单分子发光的二阶相关函数测量结果,在时间延迟为0处的数值明显小于0.5,这表明发光具有显著的光子反聚束特征,展示了电泵单分子发光的单光子发射特性;右图为电泵单分子发光的强度和光谱的稳定性测量结果。

  近日,中国科学技术大学单分子科学团队董振超研究小组,通过发展与扫描隧道显微镜(STM)相结合的单光子检测技术和分子光电特性调控手段,首次清晰地展示了空间位置和形貌确定的单个分子在电激励下的单光子发射行为及其单光子源阵列。研究成果发表在《自然·通讯》上。

  单光子源研究是量子信息领域的核心内容之一,清晰可控的高密度单光子源阵列更是构建量子芯片器件和量子网络的关键。在众多的单量子发光体(包括半导体量子点、原子、分子、色心等)中,单分子体系由于其发光频率易于调控、谱线较窄、且发光行为具有高度的均一性而受到广泛的关注。另一方面,电泵单光子源还在纳米光电集成和相关量子器件方面具有潜在的应用前景。但是,单分子体系的电泵单光子源研究,受到实验技术和荧光淬灭效应的制约,难以实现从空间位置和形貌确定的单个分子产生强而稳定的单分子电致发光信号。因此,基于单个孤立分子的电泵单光子发射行为未能得到清晰明确的展示。

  研究小组致力于发展将STM高空间分辨表征与光学技术高灵敏探测相结合的联用技术,通过巧妙调控隧道结纳腔等离激元的宽频、局域与增强特性,拓展了测量极限,为在单分子水平上观测和调控分子的光电行为提供有力手段。针对电泵单分子单光子源研究面临的挑战,科研人员经过实验探索,优化了荧光分子与脱耦合层材料的选择与构造,精确调控了纳腔等离激元的增强特性,利用隧穿电子的局域激发,获得了来自氯化钠脱耦合层表面上的单个孤立酞菁分子的电致分子荧光,使其强度和稳定性可以实现展示光子相关特性的符合计数测量。他们发现,电泵单分子发光表现出明显的光子反聚束效应,所测量到的二阶相关函数在零延迟时的数值均小于0.5,单光子发射的纯净度指标最好可以小到0.09,达到电泵单光子发射的国际先进水平。这表明电泵单分子发光具有单光子发射特性。科研人员利用STM的单分子操纵能力,构筑二维3×3分子阵列(分子间距约为4.4纳米),并依次对阵列中每个分子的光子相关特性进行测量。他们发现,所有分子均表现出近乎全同的单光子发射特性,实现了高密度单光子源阵列的构造和展示。这些研究结果为在纳米尺度研究金属附近分子的光物理现象提供了新手段,也为研发面向光电集成量子技术的电泵单分子单光子源提供了新思路。

  左图为STM诱导单个分子电致发光的实验示意图;中间图为单分子发光的二阶相关函数测量结果,在时间延迟为0处的数值明显小于0.5,这表明发光具有显著的光子反聚束特征,展示了电泵单分子发光的单光子发射特性;右图为电泵单分子发光的强度和光谱的稳定性测量结果。

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