由日本理化学研究所（理研）开拓研究本部加藤纳米量子光子学研究室的方楠基础科学特别研究员（研究当时，现为客座研究员）、加藤雄一郎主任研究员（光量子工学研究中心量子光电子研究组组长）、筑波大学数理物质系纳米结构物性研究室的冈田晋教授、东京大学研究生院工学系研究科材料工学专业的长汐晃辅教授、庆应义塾大学理工学院物理学专业的藤井瞬助教等组成的联合研究团队发布研究成果称，在具有一维和二维不同维度的纳米半导体界面上存在室温下发光的量子光源。这一发现有望应用于量子通信和量子计算等量子技术领域。相关成果于4月11日刊登在国际学术杂志《Nature Communications》上。
异维异质构造中的界面激子示意图（供图：理化学研究所）
伴随着半导体元件的微型化进程，仅有一层原子厚度的超薄低维半导体颇受关注。这种原子级微构造，即使在室温下也有望通过量子效应发现新性质，为此，对于一维半导体如单壁碳纳米管（单层CNT）和二维半导体如过渡金属硫属化物（由硫、硒、碲等硫属元素与过渡金属形成的化合物群）等低维半导体的研究，不仅有望突破微细化的极限，还有望应用于新一代量子技术。
单壁碳纳米管构造为将呈六边形网格状排列的单层碳原子膜（石墨烯）卷成直径约1～3纳米的管状结构。此外，过渡金属硫属化物之一的硒化钨是由钨和硒原子构成的层状二维半导体，每层厚度约为0.7纳米，层与层之间通过范德华力结合在一起。
将具有不同维度特性的这两种低维半导体结合形成异质结构，通过碳纳米管的大带隙能量调制，就有望在仅数个原子层厚度的超薄半导体结构中实现新的物质性质和功能。
理研于2023年通过将确定原子序列的CNT和具有特定层数的硒化钨配置精确定位并进行接合，将具有不同维度结构的纳米物质组合在一起，构建了正常且无缺陷的异质结构，并发现通过能带共振会增强激子迁移的现象。此时发生激子移动的是I型异质结构，而在电子和空穴容易分离的II型异质结构中有可能出现了新型激子状态。
I型异质结构的电子和空穴在一种物质内呈现较低的能量状态，而II型异质结构的电子和空穴分别在不同的物质内呈现较低的能量状态。I型异质结构因其电子和空穴容易重新结合，适用于LED等发光元件，而II型异质结构因其电子和空穴容易分离而被应用于有机太阳能电池等。
此次，研究人员利用独立开发的蒽介导转录，制作出了一种结合了CNT和硒化钨的异维异质结构。
研究人员通过分析，发现了在室温下明亮的量子发光界面激子。经确认，只有在使用形成II型异质结构的带隙能量大的CNT时，才能观测到界面激子，而且还确认了其拥有长寿命。同时，研究人员还发现了一个意外的特性：即使在室温下，界面激子也存在局域化，且能够发射单个光子。
加藤主任研究员表示：“随着纳米科学的进步，我们能够使用原子级精度构造的纳米材料。此次的异维异质结构也是利用特定原子序列的碳纳米管和特定层数的原子层物质（硒化钨）制作而成。在这种由一维和二维物质构成的界面中，会产生较小维度级即一维的电子状态，然而出乎意料的是，这次出现了相当于零维的局域化状态。而且令人惊讶的是即便在室温下，这种量子光源也能发射单光子。这是利用比纳米尺度更小的原子结构向实现原子精度技术所迈出的重要一步。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：Room-temperature quantum emission from interface excitons in mixed-dimensional heterostructures
DOI：10.1038/s41467-024-47099-6
