量子通信、傳感或計算等量子光子技術需要高效、穩定和純的單光子源。外延量子點（QDs）已經被制成能夠按需產生具有高純度、不可區分性和亮度的光子，盡管它們需要精確制造，并且在可擴展性方面面臨挑戰。相比之下，膠體量子點是在溶液中批量合成的，但通常具有更寬的線寬、低的單光子純度和不穩定的發射。在這里，本研究展示了InP/ZnSe/ZnS膠體量子點的光譜穩定、純和窄線寬單光子發射。使用光子相關傅立葉光譜，觀察到窄至~5的單點線寬 4時為µeV K、 給出了~250ps的下限光學相干時間T
2 。這些點在微秒到分鐘的時間尺度上表現出最小的光譜擴散，并且在高達50ms的時間尺度下保持窄線寬 ，比其他膠體系統長幾個數量級。此外，這些InP/ZnSe/ZnS點具有單光子純度g
(2)（τ = 0）在沒有光譜濾波的情況下為0.077–0.086。這項工作證明了不含重金屬的InP基量子點作為單光子光譜穩定源的潛力。
圖1. a、 b，具有HA表面配體的膠體InP/ZnSe/ZnS量子點的示意結構（a）和TEM圖像（b）。c、 核、殼和表面配體的能帶圖，以及示意性電子波函數Ψ，說明了這些異質結構中的I型能帶排列。注意這里使用的InP、ZnSe和ZnS的帶隙是體半導體的值。HA的最高占據分子軌道-最低未占據分子軌道（HOMO–LUMO）間隙。CB，導帶；VB，價帶。d、 InP核的帶邊激子發射的Jablonski圖。灰色（波浪形）箭頭表示狀態之間的輻射（非輻射）躍遷。縱向光學和橫向光學聲子；Δ，在\（｛|d｝\rangle\）和\（｛|b｝\rangle\）狀態之間分裂；Ω，在\（｛|X｝\rangle\）和\（{|Y｝\rangle\）態之間分裂\（｛|g｝\rangle\），基態。e、 InP量子點在4 K和獨立玻色子模型的擬合。完全配合表示ZPL+聲學+光學組件的完全配合。f、 同一量子點在4、15和30處的光譜 K、 顯示了明亮的F的出現 = 通過熱總體的±1狀態。為了清晰起見，光譜偏移了它們的最大值，排列在0處 meV。g、 量子點4的高分辨率光譜 K表明了\（｛|d｝\rangle\）進一步分裂為其±2個躍遷的疊加\（｛|X｝\rangle\）和\（{|Y｝\rangle\）。除非另有說明，否則使用532 功率密度為50–100的nm連續波激光器 W cm
−2。
圖2. a、左圖：使用每毫米300個凹槽的0.5 m光譜儀（光譜分辨率~1.1 meV）。每幀的采集時間為1 s，共有600幀。右：具有歸一化強度的所有收集光譜的總和。b、 c，左圖：使用每毫米2400個凹槽的光柵的兩個不同量子點的光譜軌跡（光譜分辨率~0.08 meV）。右：具有歸一化強度的所有收集光譜的總和。d、50ms中總計數的強度軌跡 在600s的周期內的箱 和（插圖），時間為10 s。
圖3. a–l，擬合干涉圖（a，d，g，j），點InP-1（a–c）、點InP-2（d–f）、點InP-3（g–i）和點CdSe-1（j–l）的光譜相關性p（ζ，τ）（b，e，h，k）和光譜（c，f，i，l）。a、d、g和j中的干涉圖是由時間間隔τ窗口為光子對建立的τ
0→1. = 0.1–0.5 ms，τ
2→3. = 1–5 ms和τ
4→5. = 10–50 為了清楚起見，干涉圖被歸一化為最大值1，并且被給予偏移。點CdSe-1的類振蕩特征是由QD閃爍引起的，QD閃爍影響這些階段位置的基本g（2）（τ）。這些干涉圖的傅立葉變換給出了b、e、h和k中的光譜相關性p（ζ，τ）。在c、f、i和l中，使用優化參數來擬合干涉圖來生成光譜s（ω）。干涉圖擬合（a，d，g，j）所示的T
2值是根據洛倫茲光譜的FWHM計算的，T
2 = 2π/Γ。擬合的指數相干衰減遵循\（｛｛\mathrm｛exp｝｝）^｛-2/｛T｝_｛2｝\delta｝\），其中因子2是由于洛倫茲譜的自相關而產生的。cf，相干分數。
圖4. 上面顯示的Γ的數據對應于平均值±一個標準差，這些標準差是由每個點的20個不同擬合生成的，具有隨機和有界的初始猜測。
圖5.a、b，繪制在線性（a）和對數（b）時間軸上的壽命和擬合（黑線）。a的插圖顯示了用于提取Δ的三能級系統以及亮（Γ
b）和暗（Γ
d）態的輻射復合率。c、 單個量子點（點InP-4）的g
(2)（τ）。周期4 激光脈沖之間的µs是允許量子點在激發事件之間完全衰減到基態所必需的。這導致了低計數率和有噪聲的g
(2)（τ）函數，其獲取時間受到量子點的光穩定性的限制。d、 解g
(2)（τ）測量、擬合和系綜平均g
(2)（0）。
相關研究成果由麻省理工學院化學系Moungi G. Bawendi和Andrew H. Proppe等人2023年發表在Nature nanotechnology(https://www.nature.com/articles/s41565-023-01432-0)上。原文：Highly stable and pure single-photon emission with 250 ps optical coherence times in InP colloidal quantum dots。
轉自《石墨烯研究》公眾號
