量子點革命：晶體層如何解決其最大難題

來自奧克拉荷馬大學的最新研究，成功解決了量子應用中常見的光發射問題。量子光源天生不穩定，常常像遙遠的星星一樣閃爍不定，或是隨著時間逐漸變暗。然而，這項新研究顯示，透過在膠體量子點上覆蓋一層特殊的晶體層，可以大幅提升其穩定性。這項突破性發現，為更可靠且具成本效益的量子技術鋪平了道路。

量子點（QDs）是極微小的半導體粒子。舉例來說，如果將一個量子點放大到棒球的大小，那麼棒球就會像月球一樣巨大。這些奈米材料在電腦螢幕、LED、太陽能電池、生物醫學裝置、量子計算及安全通訊等領域有廣泛的應用。

由奧克拉荷馬大學助理教授董一彤領導的研究團隊發現，在鈣鈦礦基量子點上應用結晶分子層，能有效中和表面缺陷並穩定其原子結構。這避免了常見的閃爍與衰減問題，確保了穩定且可靠的光輸出。

董教授表示：「在量子計算中，你必須能夠控制任何時間點發射的光子數量。量子點以不穩定著稱，因此我們致力於開發一種晶體覆蓋層，以穩定其量子發射。這種材料非常理想，因為它成本低廉、易於擴充套件，並且在室溫下效率極高。」

量子點長期以來存在幾個問題。首先，其表面容易產生缺陷，這些缺陷可能導致量子點在僅使用10至20分鐘後就失效。董教授及其團隊開發的晶體覆蓋層，將量子點的連續光子發射時間延長至超過12小時，且幾乎沒有閃爍現象。

其次，傳統的單光子發射器需要在極低溫的環境下運作，通常需要攝氏-269度的液態氦，這使得它們在大多數實際應用中不切實際。然而，這項研究顯示，鈣鈦礦量子點在室溫下能達到近100%的效率，這項突破使其更易於使用、成本更低且更具吸引力。

董教授指出：「儘管這種材料的光學特性引起了廣泛興趣，但製造單光子發射器的複雜性使其成本過高。然而，由於鈣鈦礦量子點可以在常溫下使用且合成成本極低，我們相信它們將成為未來量子計算與量子通訊裝置的光子晶片光源。」

根據董教授的說法，這些發現為未來的量子發射器設計開闢了新的可能性，超越了特定材料或分子結構的限制。他表示：「我認為我們的研究對量子領域具有深遠的影響。我們找到了一種利用有機與無機分子晶體來穩定量子點的方法，為其他人探索這些材料的基本光學特性與物理性質開啟了大門。這真的非常令人興奮。」

這項研究於2025年1月2日發表在《自然通訊》期刊上，並由美國能源部科學辦公室基礎能源科學部門部分資助。