多孔硅上的碳纳米管：一种可用于量子通信的强烈单光子源

RIKEN研究人员通过将化学掺杂的碳纳米管涂覆在布满小孔的硅衬底上，并验证了这是一种发射功率极强的单光子源（碳纳米管掺杂态与硅微腔耦合增强的单光子发射）。它每秒可以发射出1700万个光子，这使得该光子源有希望应用于量子信息技术。量子信息技术可以用来发送无法破解的加密信息。

掺杂碳纳米管(左)涂在蚀刻有微腔的硅衬底上，在激光激发下强烈地发射出单个光子。图片来源：RIKEN

由加藤幸一郎领导的RIKEN纳米量子光子学实验室的研究员石井明弘(Akihiro Ishii)解释说，光已经被用在庞大的光纤通信电缆网络中来传送高速信息。这些系统使用光的经典态携带数据，但光也是量子的一种，光子的行为有时像波，有时像粒子。这些量子态的光子携带的量子信息可以用来加密数据。

基于量子态光子的通信系统引起了人们的极大的兴趣，因为我们不可能在不干扰数据本身的情况下拦截数据，从而量子通信系统可以防止秘密窃听。但是早期产生单光子源的系统有一个房间那么大。在实际应用中，人们迫切需要能够发射单光子的纳米材料。

单壁碳纳米管的结构类似于把一片扁平的碳原子卷成圆柱体，曾被证明在激光激发时会发射出单光子。加藤、石井和他们的同事将这种材料集成在含有固定孔洞的硅上，最终极大地增强了它们的光子发射率。

研究小组将一层化学掺杂的碳纳米管薄膜涂覆在表面蚀刻了小孔的硅衬底上，从而形成光子晶体微腔(如图)。然后他们用激光来激发纳米管产生光子。

一小部分纳米管会与硅片上的微腔完美地排列在一起。石井解释道：“当碳纳米管耦合到体积很小的微腔时，会产生一种称为Purcell效应的现象，可以提高光子发射效率。” 研究小组发现，这种耦合使纳米管的光子发射率增加了大约50倍。

此外，即使提高激光束强度，该装置在室温下也能产生高纯度的单光子。石井说：“这意味着我们的设备是可靠耐用的，可以提供良好的性能，因为高功率激光会激发出能量更高的单光子。”

该小组目前正在对碳纳米管和底层硅微腔进行优化改性，使它们在电子通信的主波长处发射出高能的单光子。

文章来自NanoWerk，原文题目为Carbon nanotubes on holey silicon make bright source of single photons，由材料科技在线汇总整理。