撰稿|课题组供稿
中山大学物理学院、光电材料与技术国家重点实验室王雪华、刘进教授研究团队为解决高性能微纳量子光源难以规模化确定性制备的问题，提出和开发了对大量量子点同时进行高精度空间定位和光谱分辨的荧光成像方法与技术，实现了精度达15 nm的空间定位和 0.4 nm的波长识别。基于这一技术，该团队在国际上率先实现了高性能确定性微腔量子光源器件的“又快又准”规模化制备，为构建可扩展光量子集成芯片奠定了基础。相关研究成果以“Super-resolved snapshot hyperspectral imaging of solid-state quantum emitters for high-throughput integrated quantum technologies”为题于2024年5月22日发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上。
中山大学王雪华教授和刘进教授为论文共同通讯作者，中山大学刘顺发博士后为论文第一作者。中科院半导体所牛智川研究员、倪海桥研究员与刘汗青博士在量子点生长方面提供了重要支持，天津大学胡小龙教授与孟赟博士生为本工作提供了用于寿命测试的超导单光子探测器，新加坡国立大学的仇成伟教授参与了该工作，中山大学物理学院博士生李学诗、邱贵鑫、马剑涛、聂亮对该论文的实验部分亦有贡献。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省重点领域研发计划项目以及中国博士后科学基金项目等的资助。
固态量子辐射子与微纳光子结构的确定性耦合对于探索光与物质的相互作用、制备高性能的光量子器件、构建可扩展的光量子集成芯片等至关重要。量子点是最重要的固态量子辐射子，然而，不同量子点所处的面内空间位置与发光波长呈随机分布，量子点与微纳光子结构特定模式的空间位置和光谱的精准匹配极端困难，导致二者之间的确定性耦合很难实现。现有的量子点空间定位技术均无法通过成像直接获取量子点的光谱信息，光谱获取依赖于共聚焦光谱仪系统，系统复杂且过程耗时，无法满足未来可扩展光量子信息网络对规模化量子光源器件的制备需求。为了解决这一领域难题，该研究团队开发了量子点的超分辨和高光谱的快照式成像定位技术，实现了量子点的高精度光谱成像，从而突破了传统成像技术只能获取量子点位置信息的限制，实现了高性能确定性微腔量子光源器件 “又快又准” 的规模化制备。
如图1（a）所示，该团队创新性地提出将量子点置于具有色散的平面光学微腔中，利用微腔的色散对不同发光波长量子点的辐射远场角谱分布和成像光斑形貌进行调控，实现量子点成像光斑与其发光波长和位置的精准对应。实验上, 该团队采用了分布式布拉格反射镜（DBR）平面腔结构，该结构具有如图1（b）所示的接近抛物线型色散关系，处于DBR平面腔中的量子点辐射的光子只能从特定角度出射，出射角度由其发光波长决定，波长越长，出射角度越大。图1（c）为平面DBR腔中不同波长量子点的实验成像光斑，不同光斑之间呈现明显的差异，为同时提取量子点的空间位置与发光波长提供了基础。
图1 （a）量子点的超光谱成像原理示意图；（b）平面DBR腔色散关系实验测量；（c）平面DBR腔中不同波长量子点的实验成像光斑。
为了确定量子点成像光斑形貌与发光波长的定量对应关系，该团队分别测试了图2（a）中不同位置量子点的光谱、远场角谱分布与光斑形貌，结果分别如图2（b）、2（c）和2（d）所示。可见量子点的发光波长、远场角谱分布与光斑形貌呈明显的依赖关系，且与如图2（e）和2（f）中的理论预测一致。发光波长越长，辐射角度越大，成像光斑的主瓣越小，光斑次级大的位置越靠近中心。该团队发展了波长依赖的量子点成像光斑计算理论，将实验提取的成像光斑特征参数代入理论模型，可对量子点的发光波长进行预测，并具有0.4 nm的波长预测精度。在此基础上，该团队利用这一技术规模化制备了量子点与微腔耦合的高性能单光子源器件，结果如图3所示，典型器件的自发辐射速率加快了10.3倍，脉冲共振激发可观测到12个振荡周期，π脉冲下的单光子计数率为3.5MHz，单光子纯度为99.1%，光子全同性为97.6%，每个量子光源器件量子点与微腔均可实现光谱近共振。这是国际上首次报道的高性能单光子源器件“又快又准”的规模化制备。
图2（a）单次成像获取的平面DBR腔中量子点的宽场荧光成像；（b）通过光谱仪获取的15个不同量子点的光谱；（c）利用4f系统测试得到的不同量子点远场角谱分布；（d）对应的单量子点成像光斑；（e）理论计算的相应的量子点远场角谱分布；（f）理论计算的相应的量子点的成像光斑形貌。
图3 （a）在面积50 × 50μm区域内不同量子点的宽场荧光像；（b）通过高光谱成像定位技术制备得到的微腔量子光源光学的显微微镜图;(c)通过高光谱成像定位技术制备得到的微腔量子光源的电子显微镜图; (d) 200 × 200μm视场内规模化微腔量子光源的电子显微镜图; (e)每个量子光源器件量子点与微腔均可实现光谱近共振;(f)量子点与腔模完全共振时，寿命缩短了11.3倍; (g)脉冲共振激发时，光子计数随激发功率变化呈现Rabi振荡效应; (h)单光子纯度测试结果;（i）光子全同性测试结果。
这项研究突破了传统成像技术只能获取量子点位置信息的限制，解决了量子点与微纳光子结构无法同时实现空间位置与光谱确定性耦合难题，并且可直接扩展到量子点以外的其他量子辐射子材料，为量子辐射子的快速全面表征、光量子功能器件的批量制备、可扩展光量子芯片的研发、超分辨生物成像等提供关键技术支撑，将进一步推动量子信息技术与经典光学成像技术的发展。
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01449-4
