碳纳米管光电子研究助力量子通信迈向未来

什么是真正安全的通信？身处当今世界，我们都不想被窃听。量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性都无法与之相提并论。量子通信绝不会“泄密”。但是这其中很大的一个挑战是如何制作这种光。我们需要一种有效的方法来创建光子。

现在，科学家们已经确定了经过修饰的碳纳米管如何发射光子对（纳米级，“碳纳米管的孤立掺杂态的多激子发射”）(Nanoscale, "Multi-exciton emissions from solitary dopant states of carbon nanotubes")。实验和理论表明，光子对是两个激子（电子-空穴对）俘获和复合的结果。很多证据表明，这是产生光子对的有效过程。

该小组的研究表明了如何利用微型碳纳米管有效地制造光子。这样就可能会以非常安全的方式来传递信息（量子通信）。这种方法也可以改变消费电子和科学仪器使用的激光器。

额外的吸引力是，修饰碳纳米管涉及一个简单的沉积硅或氧化铝薄膜。这使得碳纳米管可以与现有的微电子技术兼容。它也开辟了发展光子集成电路的途径。

研究人员使用掺杂的方法调整单壁碳纳米管（SWCNT）的电子特性，这种方法正在成为增强这些碳纳米管的发射特性和引入新功能的有效手段。SWCNT的这些掺杂态是一种新型的量子光源，能够模拟室温下的囚禁离子。

大多数掺杂态每个激发周期发射一个光子，因此可以作为单光子发射器，但一些掺杂态能够成对地发射光子。这就产生了两种方式：光子对可能来自位于激光激发点内的两个掺杂态，或者来自单个缺陷中两个激子的连续复合。

来自集成纳米技术中心的科学家和洛斯阿拉莫斯国家实验室的合作者的最新研究确定，第二种方式是主要的发射方式，他们进一步澄清了这个过程的细节。

研究人员进行了时间门控的二阶光子相关实验，将多激子态快速衰变发射的光子和单激子态相关的慢速衰变发射的光子分开。

实验表明光子对的发射来源于孤氧掺杂态激子的两次连续捕获和重组。

进一步的实验证据和理论分析表明，这种类型的光子对发射过程的效率可以高达单光子发射的44％。这个过程效率的主要限制因素是碰撞时激子的湮灭(激子-激子湮灭)。

虽然多激子发射对于单光子的产生是不理想的，但是这项工作为碳纳米管激光器和纠缠光子的产生开辟了一条令人兴奋的新途径。总的来说，这项工作对丰富的多激子过程与掺杂状态进行了详细的解释。

文章来自nanowerk网站，原文题目为Carbon nanotubes give two excitons for the price of one，由材料科技在线汇总整理。