量子材料创造深紫外光发射记录

深紫外光的新途径

在深紫外范围内（波长约280纳米以下）产生高效光一直是半导体光子学中较为困难的问题。深紫外光在病原体消毒、水净化、半导体光刻和量子信息处理中有强大的应用，但能有效发射这类光的材料有限且难以处理。发表在《科学》上的一项研究描述了一项重大进展：在由六方氮化硼形成的莫尔量子阱中实现了高效的深紫外光发射，这种材料更为人所知的是一种平坦的二维绝缘体。

这个结果令人惊讶。六方氮化硼（hBN）是一种宽禁带材料，研究人员早已知道它能发射紫外光，但实现高效可控的发射已被证明难以实现。这里的创新是使用莫尔超晶格结构——通过堆叠两个略微错位的hBN层而产生——以约束和操纵负责光发射的量子态，这在传统体材料或单层材料中是不可能的。

莫尔工程的作用

当两个原子级薄晶体层以小的转角或晶格失配堆叠时，产生的干涉图案会产生莫尔超晶格：原子势的周期调制，其范围比基础原子结构大得多。这个超晶格充当纳米级量子约束位点的阵列——人工量子阱和量子点——无需通常需要创建它们的复杂纳米加工。

在2018年发现扭转双层石墨烯在特定扭转角度可以变成超导体后，莫尔工程作为凝聚态物理的一项变革性技术出现。从那以后，研究人员在多种二维材料上应用了这个概念，发现了包括相关绝缘体态、铁磁性，以及——现在——hBN中光发射大幅增强的现象。

在当前研究中，hBN中的莫尔结构创建了定位的量子阱态，在超晶格中的特定位点捕获激子——束缚电子-空穴对。这些被困的激子以高效率辐射复合，发射深紫外光子。莫尔约束既增强了辐射复合的概率，又缩小了发射谱，产生了比以前在hBN中实现的更亮和光谱更纯的紫外光。

为什么值得追求深紫外光

深紫外光谱范围——大约200至280纳米——与DNA和蛋白质的吸收峰重叠，使其能够有效地对表面、水和空气进行灭菌，而无需与传统消毒方法相关的化学残留物。COVID-19大流行更新了对UV消毒技术的商业兴趣，对高效紧凑深紫外光源的需求相应增长。

目前基于氮化镓铝的深紫外LED技术功能齐全但效率受限且需要复杂的生长条件。如果hBN基方法能够从实验室演示扩展到可制造的器件，它可以为高效深紫外光源提供更容易获得的途径。hBN的二维性质也使其能够与柔性基质和硅光子平台集成兼容。

量子光子学应用

除了消毒外，紫外范围内的单光子发射器是量子密码学和量子网络所需的资源。hBN以前被认定是在室温下工作的单光子发射器的宿主材料——这是相对于许多需要低温运行的其他量子发射器平台的显著优势。莫尔量子阱结构可以为高质量紫外单光子发射器阵列提供途径，这对构建可扩展的量子光子系统很有价值。这项研究代表了莫尔物理和深紫外光子学的汇聚，将hBN作为光发射器件平台打开，用于传统半导体难以应用的光谱范围。

本文基于《科学》(AAAS)的报道。阅读原始文章。