2026年8月5日——由波士顿学院物理学家领导的团队今天在《自然纳米技术》杂志上报告称，研究人员创造了一种电可调量子纳米级围栏，可以捕获带电激子，并能够对微型光源进行精确的电控制，包括其亮度、颜色和量子态。

这些发现为控制混合电荷、光子和自旋量子态开辟了新的途径。

据波士顿学院物理学副教授琼马（音译）介绍，研究人员创造了一种微小的、电控的“陷阱”，可以将特殊的发光粒子固定在一种名为二硒化钨（WSe₂）的超薄材料中。琼马是该报告的主要作者之一，另一位主要作者是波士顿学院物理学教授肯尼斯·伯奇。

这种陷阱由一层极薄的多孔金属层构成，该金属层能够产生非常微弱且聚焦的电场。这些电场使得某些带电粒子能够被周围的中性粒子束缚住。

“这种捕获效应非常强，以至于我们测量它们发出的光时，可以清晰地看到不同的能级，”马说。“我们还证明，我们可以利用电来开启和关闭这种捕获效应，从而在紧密束缚的粒子和更自由移动的粒子之间切换。”

马教授表示，这一发现出乎意料，因为该项目最初是为了研究另一种效应而设立的。但在出于其他目的检查设备结构时，研究团队注意到了一个异常信号。

“我们注意到一个非常小的区域发出异常强烈且离散的光，这促使我们去研究它的起源，”马说。参与该项目的还有博士后研究员黄祖萌、前博士后研究员孙哲和唐健，以及六名研究生。

在考虑了几种可能的解释之后，马和她的同事们确定这种行为是由混合电荷-光子态的量子限制效应引起的。

“意识到这一发现既新颖又有趣，我们对它的意义感到非常兴奋，”马教授说道，他的研究得到了美国国家科学基金会、CIFAR和阿尔弗雷德·P·斯隆基金会的资助。“在这一认识的指导下，我们设计了更多实验来严格地展示和证实这一现象。”

马教授表示，这项研究的驱动力在于满足未来量子技术对高效连接物质量子态与光的需求。一种很有前景的方法是利用激子——当光在半导体内部产生束缚电子-空穴对时形成的准粒子。激子与光相互作用强烈，因此在量子通信和光子技术领域极具吸引力。 

马教授表示，由于带电激子是由多个相互作用的粒子组成的复合体，因此在纳米尺度上对其进行限制和控制仍然十分困难。开发可靠的捕获和操控方法是实现可调谐量子光源和量子信息器件的重要一步。

我们研究了二维半导体单层二硒化钨（WSe₂）中的复合带电激子。为了限制这些激子，Ma及其同事利用纳米多孔金属单层碲化钽铱（TaIrTe）₄开发了一种静电“纳米围栏”，该单层起到电场掩模的作用。

马教授表示，这种化合物是一种层状材料，可以剥离成原子级薄片，类似于石墨烯，并且在纳米尺度上保持柔韧性的同时还能导电。钽铱碲中的纳米孔是通过机械剥离法形成的——这是一种常见的超薄层制备方法——在严格控制的条件下，由于材料独特的机械性能，可以形成纳米级孔洞。

研究团队报告称，这些孔洞如同精确的掩模，能够在极小的尺度上塑造局部电场。通过施加栅极电压并进行低温光学光谱分析（包括光致发光和反射率测量），研究团队直接观察到了离散的量子限制激子态，并追踪了它们在电场控制下的演化过程。

这一发现令马和她的团队感到惊讶。

“当我们确定异常信号表明带电激子受到量子限制后，我们惊讶地发现，带电激子竟然能够以如此稳定、电可调且光谱可分辨的方式被限制，”她说道。“以往的方法通常只能限制激子的一部分，或者缺乏揭示清晰量子特征所需的纳米级精度。”

马教授表示，下一个挑战是实现对纳米围栏几何形状的确定性控制，并最终达到双能级量子状态。这将有助于实现单光子源、光子关联测量，以及用于量子网络、量子通信和量子光子技术的可扩展架构。