由日本理化學研究所（理研）開拓研究本部加藤奈米量子光量子學研究室的方楠基礎科學特別研究員（研究當時，現爲客座研究員）、加藤雄一郎主任研究員（光量子工學研究中心量子光電子研究組組長）、築波大學數理物質系奈米結構物性研究室的岡田晉教授、東京大學研究生院工學系研究科材料工學專業的長汐晃輔教授、慶應義塾大學理工學院物理可用能學專業的藤井瞬助教等組成的聯合研究團隊發佈研究成果稱，在具有一維和二維不同向度的奈米半導體界面上存在室溫下發光的量子光源。這一發現有望應用於量子通訊和量子計算等量子技術領域。相關成果於4月11日刊登在國際學術雜誌《Nature Communications》上。
異維異質構造中的界面激子示意圖（供圖：理化學研究所）
伴隨着半導體元件的微型化進程，僅有一層原子厚度的超薄低維半導體頗受關注。這種原子級微構造，即使在室溫下也有望透過量子效應發現新性質，爲此，對於一維半導體如單壁奈米碳管（單層CNT）和二維半導體如過渡金屬硫屬化物（由硫、硒、碲等硫屬元素與過渡金屬形成的化合物羣）等低維半導體的研究，不僅有望突破微細化的極限，還有望應用於新一代量子技術。
單壁奈米碳管構造爲將呈六邊形網格狀排列的單層碳原子膜（石墨烯）捲成直徑約1～3奈米的管狀結構。此外，過渡金屬硫屬化物之一的硒化鎢是由鎢和硒原子構成的層狀二維半導體，每層厚度約爲0.7奈米，層與層之間透過凡得瓦力結合在一起。
將具有不同向度特性的這兩種低維半導體結合形成異質接面構，透過奈米碳管的大帶隙能量調變，就有望在僅數個原子層厚度的超薄半導體結構中實施新的物質性質和功能。
理研於2023年透過將確定原子序列的CNT和具有特定層數的硒化鎢配置精確定位並進行接合，將具有不同向度結構的奈米物質組合在一起，構建了正常且無缺陷的異質接面構，並發現透過能帶共振會強化激子移動的現象。此時發生激子行程的是I型異質接面構，而在電子和電洞容易分離的II型異質接面構中有可能出現了新型激子狀態。
I型異質接面構的電子和電洞在一種物質内呈現較低的能量狀態，而II型異質接面構的電子和電洞分別在不同的物質内呈現較低的能量狀態。I型異質接面構因其電子和電洞容易重新結合，適用於LED等發光元件，而II型異質接面構因其電子和電洞容易分離而被應用於有機太陽能電池等。
此次，研究人員利用獨立開發的蒽介導轉錄，製作出了一種結合了CNT和硒化鎢的異維異質接面構。
研究人員透過分析，發現了在室溫下明亮的量子發光界面激子。經應答，只有在使用形成II型異質接面構的帶隙能量大的CNT時，才能觀測到界面激子，而且還應答了其擁有長壽命。同時，研究人員還發現了一個意外的特性：即使在室溫下，界面激子也存在局域化，且能夠發射單個光量子。
加藤主任研究員表示：「隨着奈米科學的進步，我們能夠使用原子級精度構造的奈米材料。此次的異維異質接面構也是利用特定原子序列的奈米碳管和特定層數的原子層物質（硒化鎢）製作而成。在這種由一維和二維物質構成的界面中，會產生較小向度級即一維的電子狀態，然而出乎意料的是，這次出現了相當於零維的局域化狀態。而且令人驚訝的是即便在室溫下，這種量子光源也能發射單光量子。這是利用比奈米尺度更小的原子結構向實施原子精度技術所邁出的重要一步。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Room-temperature quantum emission from interface excitons in mixed-dimensional heterostructures
DOI：10.1038/s41467-024-47099-6
