单光子 (SPE) 类似于一次仅发射一个光子(光量子)的微型灯泡。这些微小的结构对于量子技术的发展非常重要，特别是在安全通信和高分辨率成像等应用中。然而，许多含有 SPE 的材料由于成本高且难以集成到复杂设备中而无法用于大规模制造。

2015 年，科学家在一种名为六方氮化硼 (hBN) 的材料中发现了 SPE。此后，六方氮化硼凭借其分层结构和易于操作的特点，在传感器、成像、密码学和计算等各个量子领域和技术中获得了广泛的关注和应用。

hBN 中 SPE 的出现源于材料晶体结构的缺陷，但控制其发展和功能的精确机制仍然难以捉摸。现在，《自然材料》上发表的一项新研究揭示了对六方氮化硼特性的重要见解，为之前关于材料中 SPE 起源的研究中的差异提供了解决方案。

该研究涉及三个主要机构的合作：纽约市立大学研究生中心的高级科学研究中心(CUNY ASRC);布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 用户设施;和国家材料科学研究所。纽约市立大学 ASRC 光子学计划和纽约市立大学研究生中心物理项目教授Gabriele Grosso和NSLS-II 光束线科学家Jonathan Pelliciari领导了这项研究。

此次合作源于 NSLS-II 和功能纳米材料用户中心年度会议上的一次对话，当时来自 CUNY ASRC 和 NSLS-II 的研究人员意识到他们独特的专业知识、技能和资源可以发现一些新见解，从而激发了 hBN 实验的想法。这项工作汇集了具有不同专业领域和仪器技能的物理学家，他们很少以如此密切的方式合作。

研究小组利用基于 X 射线散射和光谱学的先进技术，发现了 285 毫电子伏特下发生的基本能量激发。这种激发会触发谐波电子态的产生，从而产生单光子——类似于音乐谐波如何在多个八度音程中产生音符。

有趣的是，这些谐波与在世界各地进行的众多实验中观察到的 SPE 能量相关。这一发现将之前的观察结果联系起来，并为早期发现中观察到的变化提供了解释。这种谐波能量尺度的识别指向了共同的潜在起源，并调和了过去十年来关于 hBN 特性的不同报告。

“每个人都报告了单个光子的不同属性和不同能量，这些属性和能量似乎相互矛盾，”格罗索说。 “我们发现的美妙之处在于，通过单一的能量尺度和谐波，我们可以组织和连接所有这些被认为完全不相关的发现。使用音乐类比，人们报告的单光子属性基本上是同一张乐谱上的不同音符。”

虽然六方氮化硼的缺陷导致其独特的量子发射，但它们也对理解它们的研究工作提出了重大挑战。

“缺陷是最难研究的物理现象之一，因为它们非常局部化并且难以复制，”佩利西亚里解释道。 “这样想;如果你想画一个完美的圆，你可以计算出一种总是复制它的方法。但如果你想复制一个不完美的圆，那就困难得多。”

该团队的工作意义远远超出了六方氮化硼。研究人员表示，这些发现是研究其他含有 SPE 的材料缺陷的垫脚石。了解六方氮化硼中的量子发射有可能推动量子信息科学和技术的进步，促进安全通信并实现强大的计算，从而大大扩展和加快研究工作。

“这些结果令人兴奋，因为它们连接了从个位数到数百电子伏的各种光学激发能量的测量，”格罗索实验室的博士生、该研究的主要作者 Enrique Mejia 说。纽约市立大学 ASRC。“我们可以清楚地区分带有和不带有 SPE 的样本，现在我们可以解释观察到的谐波如何导致各种单光子。”

这项工作由 LDRD、FWP DOE 量子信息科学、DOE BES 和 DOE ECA 资助。纽约市立大学的这项工作得到了美国国家科学基金会 (NSF)、纽约市立大学研究生中心物理项目、纽约市立大学高级科学研究中心和纽约市立大学研究基金会的支持。