清華林皓武團(tuán)隊研發(fā)全球最亮量子光源 鈣鈦礦量子點(diǎn)具自我修復(fù)力
↑清大材料系林皓武教授研發(fā)室溫下全球最亮量子光源。（圖／清華大學(xué)提供）
鈣鈦礦量子點(diǎn)是量子光源的明日之星，但卻有穩(wěn)定性不足的障礙難以跨越。清華大學(xué)材料系教授林皓武透過自行開發(fā)的噴霧合成法，在僅有10奈米的鈣鈦礦量子點(diǎn)上均勻地長出一層有機(jī)保護(hù)層，研發(fā)出穩(wěn)定性極高，還有自我修復(fù)能力的量子點(diǎn)。它產(chǎn)生的單光子亮度更打破世界紀(jì)錄，成為室溫條件下最亮的量子光源材料，可望引領(lǐng)未來量子通訊及量子計算應(yīng)用的重大突破。
這項重大突破是由林皓武指導(dǎo)博士生，及與清華物理系副教授褚志崧、美國西北大學(xué)化學(xué)系教授夏勒（Richard Schaller）跨國合作共同完成。
林皓武指出，比起其他的量子光源，鈣鈦礦量子點(diǎn)可在室溫下實現(xiàn)單光子放光，且具有高量子產(chǎn)率、高色純度等優(yōu)良的光學(xué)特性，可應(yīng)用在高速的計算、通訊及螢?zāi)唬陙碓趪H材料研究領(lǐng)域受到極大的關(guān)注。但它的缺點(diǎn)就是壽命不長，激發(fā)發(fā)光後只能存活數(shù)分鐘，成為應(yīng)用上難以突破的障礙。
其他研究單位過去製備鈣鈦礦量子點(diǎn)的方式是直接將兩種溶液注入混合，林皓武研究團(tuán)隊則獨(dú)家研發(fā)噴霧合成法，大幅增加兩種溶液的接觸表面積，可在量子點(diǎn)外表包覆一層均勻的有機(jī)保護(hù)層，在連續(xù)24小時的高強(qiáng)度激發(fā)下，仍維持高亮度，一舉解決了鈣鈦礦量子點(diǎn)穩(wěn)定性不佳的問題。
林皓武指出，用這種噴霧合作成法製備的鈣鈦礦量子光源，只要用其他量子光源約1%的能量激發(fā)，它的單光子亮度就能達(dá)到每秒900萬光子數(shù)，已創(chuàng)下世界紀(jì)錄，成為史上最亮的光子源；此外，它的高單光子純度也高達(dá)98%，兼具高亮度、高純度及高穩(wěn)定度等眾多優(yōu)點(diǎn)。
更令人驚喜的是，林皓武表示，以此方式製備的鈣鈦礦量子點(diǎn)還具有獨(dú)特的自我修復(fù)能力，在極高強(qiáng)度雷射的激發(fā)下遭到損壞、亮度衰退後，只要休息幾分鐘，就能重新恢復(fù)原來的高亮度。這項研發(fā)成果最近登上國際期刊ACS Nano後，並被選為封面故事，立即引發(fā)研究社群熱烈討論，將這種可以不斷再生的鈣鈦礦量子光源比喻為「黑科技」。
↑清大材料系博士生許博惟用噴霧合成法來製備鈣鈦礦量子點(diǎn)。（圖／清華大學(xué)提供）
林皓武解釋，如果將製備量子點(diǎn)晶體的程序比喻為包水餃，過去科學(xué)家一直碰到水餃破皮的問題，有人只好改用不同材料的水餃皮，也有人想辦法把水餃皮包厚一點(diǎn)、或包兩層，「我做的事很簡單，就是不斷改良包水餃的手法。」林皓武謙虛地說。
林皓武指導(dǎo)的博士生許博惟也是這篇論文的第一作者。他還記得第一次看到量子點(diǎn)竟能自我修復(fù)的神奇時刻，「當(dāng)被強(qiáng)度激發(fā)的量子點(diǎn)經(jīng)過一段時間的實驗，亮度逐漸衰減後，我忙著從顯微鏡裡尋找下一顆量子點(diǎn)來做實驗，沒想到剛才已經(jīng)暗淡的那顆量子點(diǎn)竟然又重新發(fā)光，我原本還不敢相信，趕快報告老師。」一次又一次的反覆實驗終於證實，量子點(diǎn)能自我修復(fù)並非神話。
林皓武研究團(tuán)隊的另一位博士生莊詠棠則致力於提升團(tuán)隊研發(fā)出的鈣鈦礦量子點(diǎn)應(yīng)用，研發(fā)出最新的量子加密亂數(shù)產(chǎn)生器，通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)暨技術(shù)研究院的15項「真亂數(shù)」檢驗。量子點(diǎn)等關(guān)鍵技術(shù)已取得臺灣專利，正申請美國專利中。