研究人员利用扭曲二维材料克服单光子探测长期存在的瓶颈

从医学成像、天体物理学到新兴的量子技术，探测红外波段的单光子（构成电磁辐射的最小能量包）已成为众多领域的迫切需求。例如，在观测天文学中，来自遥远天体的光可能极其微弱，需要在中红外波段具有极高的灵敏度。

类似地，在自由空间量子通信中（单个光子需要穿越很远的距离），在中红外波段操作可以为信号清晰度提供关键优势。

由于需要大型、昂贵且耗能的低温系统来将温度保持在1开尔文以下，该范围内单光子探测器的广泛应用受到限制。这也阻碍了由此产生的探测器集成到现代光子电路（当今信息技术的支柱）中。

由ICFO领导的国际研究团队现已找到一种克服这一限制的方法。他们利用二维材料（厚度仅为一个原子）在相对较高的温度下（约25开尔文）探测到长波长单光子（波长可达中红外）。这一里程碑引起了欧洲航天局（ESA）的关注，ESA正在寻求将具有此类特性的探测器用于太空探索。

该研究成果发表在《科学》杂志上。

该团队包括 ICFO 研究人员 Krystian Nowakowski 博士、Hitesh Agarwal 博士、Julien Barrier 博士、David Barcons Ruiz 博士、Geng Li 博士、Riccardo Bertini、Matteo Ceccanti、Iacopo Torre 博士、Antoine Reserbat-Plantey 博士，由 Roshan Krishna Kumar 博士和 ICREA 教授 Frank Koppens 领导，并与 Pablo 教授合作Jarillo-Herrero，麻省理工学院（MIT）研究员、教授，ICFO 特聘教授，以及来自曼彻斯特大学、安特卫普大学等的研究人员。

双稳态：单光子检测的新机制

“在我们的团队中，我们将不同的二维材料组合在一起。我们将它们堆叠、扭曲，然后观察会发生什么。有时，惊喜就会出现，”该研究的资深作者、ICFO 的 ICREA 教授 Frank Koppens 评论道。Koppens 是二维材料领域的资深专家。

层间轻微的扭转会产生一种干涉图样，即莫尔条纹，它会改变材料中电子的性质。在莫尔条纹中，人们已经观察到了几种奇异的性质，包括超导性或轨道磁性。在这项研究中，ICFO与国际团队合作，又增添了另一种奇异的性质，即双稳态现象。双稳态允许系统在相同的外部条件下处于两种不同的状态，就像一个电灯开关可以在“开”或“关”的位置保持稳定一样。

研究小组已经证明双稳态可以作为单光子检测的新机制——这是 Koppens 描述的惊喜之一。

“我们注意到这种材料的行为与我们预期的不一样，”他回忆道。“于是，我们想，‘让我们用光照射它，看看会发生什么。’就在那时，我们突然观察到它对光照的极端敏感性。”他们观察得越深入，就越清楚地发现这种材料对单个光子有反应。

对于实验取得的成果，Jarillo-Herrero教授强调：“这项实验展示了莫尔量子器件不仅在基础科学方面，而且在量子技术的新应用方面的巨大潜力。”

单光子：压垮骆驼的最后一根稻草

探测器本身结构简单，由双层石墨烯（一层厚度为一个原子的碳原子，具有相关的物理特性）和六方氮化硼（hBN）层构成，hBN 是另一种二维材料，起到保护层的作用。

然而，“制造这种装置很棘手”，该研究的第一合著者 Hitesh Agarwal 博士解释说，主要是因为实现双层石墨烯和 hBN 之间的精确对准的成功率只有 50%。

“最终，我们通过精心设计和吸取早期实验的教训解决了这个问题，”他补充道。

那么，这个装置是如何探测单个光子的呢？直观地讲，可以用一个比喻来理解。想象一下，桌子上有一个巨大的空盒子，你往里面放一把吸管（或者几粒米）。什么也没发生。但是，如果你不断地放进越来越多的吸管或米粒，会发生什么呢？最终，盒子的重量会变得过大，桌子就会塌陷。

在实验室中，研究人员设计了一个处于崩溃边缘的系统。

“我们用的不是吸管，而是流动的电流，”论文第一合著者克里斯蒂安·诺瓦科夫斯基博士说道。“当我们达到临界点时，设备不会损坏，而是会突然从一个稳定状态切换到另一个稳定状态。当一个光子被吸收时，就像是最后一根吸管——它触发了转变，这就是我们所检测到的。”

但是，单个光子究竟是如何颠覆系统的呢？

“这是我们所有人都想知道的事情，”诺瓦科夫斯基博士承认。“我们目前有一些假设，但我们需要做更多的实验才能辨别它们。”目前，我们只能接受这个谜团。

然而，显而易见的是，这种机制与传统的超导或基于半导体的工艺有着根本的不同。正是这种潜在的机制使得该装置能够在相对较高的温度下（约25开尔文）探测到长波长光子（直至中红外）。

共同指导这项工作的克里希纳·库马尔博士指出：“我们探测器架构核心的独特物理机制使我们能够打破阻碍以前技术发展的根本限制。”

该团队目前正致力于使系统更加紧凑，并进一步提高工作温度，因为这通常是决定某种探测器是否能够投入使用的决定性因素。然而，在决定一项技术是否能够实用时，还有许多其他因素在起作用。这种探测单光子的新方法或许无法用于研究遥远的星系、医学相关分子或量子信息载体——又或许它将成为一个转折点。