Only Perception: 奈米碳管作為一單光子源

2008-06-14

奈米碳管作為一單光子源

Carbon Nanotubes as a Single-Photon Source
http://www.physorg.com/news132492345.html

June 12, 2008
By Lisa Zyga

奈米碳管（carbon nanotubes，CNT），作為真正多用途的材料，從電路與藥物遞送到高爾夫球桿與太空電梯都有其潛在的應用。最近物理學家為了另一種用途而研究單壁奈米碳管：成為一種單光子源，在這裡它們能幫忙製造極度安全、有效率的量子通訊網路。

這是頭一遭，一個來自於瑞士蘇黎世 Institute of Quantum Electronics 的研究者團隊在奈米碳管光子冷光（photoluminescence）中觀察到光子反集束（photon antibunching，非古典光特有的特徵）。這項研究，發表在最近一期 Physical Review Letters 中，為來自奈米碳管的非古典光學發射提供了首個證明。

過去幾年來，研究者已確認了數種不同的系統能作為單光子源。這些系統有一種共通的特徵：它們在三個維度上，將帶電粒子的運動限制在一個相當狹小的空間中。物理學家將這種能限制粒子運動的系統描述成「準零維（quasi-zero-dimensional）」。

被定域粒子（localized particles）的相關相位空間因量子力學的法則變成了離散區域。Pauli 不相容原理阻止二粒子佔據相同的量子態，故每次只有一個粒子能在不同的狀態間經歷轉變。

此原理禁止同步的雙光子產生，並確保該系統只會產生單一光子。

諸如原子、離子、分子與量子點這樣的物理系統是準零維，如單光子源那樣運作。在這項新研究中，研究證明相同的原理適用於奈米碳管 -- 儘管奈米碳管在空間上已延伸至一維。

"碳奈米管是近乎完美的單光子發射者這項事實令人驚訝，" 領導作者Alexander Hogele 表示。"單光子發射是獨特的系統，具有在各空間維度上的量子限制。然而，奈米碳管卻是軸向地延伸，並且代表著一維的模型系統。"

這個團隊所研究的單壁奈米碳管只有 0.8 奈米的直徑，以及約 500 奈米的平均長度。研究者在 4.2K 的低溫下使用雷射刺激個別奈米碳管，並導致它們發射波長約 880 奈米的光。

起先，研究者觀察到個別的奈米碳管發射光子時具有幾奈秒的延遲，與雷射脈衝串（laser pulse train）的重複率一致。研究者接著研究這種連續發射光子之間的統計相關性。在統計上，他們並沒有在零時延遲上（t=0）偵測到任何光子相關性，這指出強列的光子反集束。

"光子相關性實驗測量二個光子在一給定的時間延遲內抵達的可能性，" Hogele 解釋。"當二個光子一起行進時，一個理想的光子相關性設置將偵測到一個光子接著一個光子抵達的可能性。當二個行進中光子的其中一個延遲了，那麼光子將接續抵達偵測器，且同步光子偵測的機率為零。"

"峰值在零時延遲消失的意義是，光子互相「避開」，而且不可能找到一種包含 2 個或更多光子的脈衝。那已在先前證明，這樣的光子統計學不可能用古典的 Maxwell 方程式來解釋；要理解光子反集束現象，光的量子解釋是必要的。"

研究者發現，二種不同的機制確保反集束：Auger processes（譯註：俄歇效應，當電子從高能階掉入低能階的電洞時，不一定會釋出光子，能量有時會轉給另一個電子，導致它被轟出原子外，http://en.wikipedia.org/wiki/Auger_electron）與低溫，那抑制帶電粒子沿著奈米管軸的運動。總的來說，這二種機制導致雙光子在低溫下發射的機率為 3%。

"我們對於我們首度測量感到相當困惑，那在單一奈米碳管的光子發射中顯示出強烈的反集束，" Hogle 說。"在連續不斷的實驗中，我們確認二種關鍵機制確保單光子產生：首先，非線性 Auger processes（那導致二對電子、電洞對的其中之一離開以進行非輻射的消滅），扮演一種重要的角色。其次，在奈米碳管中的電子--電洞對因 trapping centers 之故，顯然會在低溫下強烈地被定域（localized）。其結果是一個奈米碳管量子點，具有一個非諧性光譜（anharmonic spectrum）。"

研究者希望這些觀察能致使為長距離量子通訊與量子密碼學開發新的單光子源。

"以奈米碳管作為單光子源的潛在優勢是這個事實：它們的發射波長能被調整成光學的通訊波長窗（wavelength window），" Hogele 說。"單壁奈米碳管的發射波長倚賴管徑，而且能透過在 1 到 2 微米的範圍內生長來調整。"

※ 相關報導：

＊ Photon Antibunching in the Photoluminescence Spectra of a Single Carbon Nanotube
http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e217401