1.中国科学院利用“搭积木”方式构建碳化硅片上异质集成量子光源；

2.深圳国际研究生院宋清华团队与合作者在拓扑光学领域取得新进展；

3.中国科学院苏州纳米所詹高磊研究员与合作者在纯有机框架莫尔异质结制备中取得重要进展；

4.中国科大在石墨烯量子点器件中实现对单电子自旋填充顺序的电学调控

1.中国科学院利用“搭积木”方式构建碳化硅片上异质集成量子光源

中国科学院上海微系统与信息技术研究所在集成光量子芯片研究方面取得进展。该研究采用“搭积木”式混合集成策略,将III-V族半导体量子点光源与CMOS工艺兼容的碳化硅(4H-SiC)光子芯片异质集成,构建出新型混合微环谐振腔。这一结构实现了单光子源的片上局域能量动态调谐,并通过微腔的Purcell效应提升了光子发射效率,为光量子芯片的大规模集成提供了全新解决方案。

针对量子点光源与微腔片上集成的技术瓶颈,该团队创新性地提出了“搭积木”式的混合集成方案。这一方案采用微转印技术,将含InAs量子点的GaAs波导精准堆叠至4H-SiC电光材料制备的微环谐振腔上。低温共聚焦荧光光谱测试发现,得益于GaAs与4H-SiC异质波导的高精度对准集成,光场通过倏逝波耦合在上下波导间高效传输,形成“回音壁”模式的平面局域光场。该结构的腔模品质因子达到7.8×103,仅比原始微环下降约50%,展现了优异的光场局域能力。

进一步,该研究在芯片上集成微型加热器,实现了量子点激子态光谱的4nm宽范围调谐。这一片上热光调谐能力使腔模与量子点光信号达到精准匹配,实现了微腔增强的确定性单光子发射。实验测得Purcell增强因子为4.9,单光子纯度高达99.2%。

为验证这一技术的扩展潜力,该研究在4H-SiC光子芯片上制备出两个间距250μm的量子点混合微腔。研究通过独立局域调谐,克服了量子点生长导致的固有频率差异,实现了不同微腔间量子点单光子信号的频率匹配。

该工作在4H-SiC芯片上同步实现了光源调谐、Purcell增强与多节点扩展,兼具高纯度与CMOS工艺兼容性。结合4H-SiC优异的电光调制特性,该技术有望推动光量子网络向实用化迈进。

近日,相关研究成果以A hybrid single quantum dot coupled cavity on a CMOS-compatible SiC photonic chip for Purcell-enhanced deterministic single-photon emission为题,发表在《光:科学与应用》(Light: Science & Applications)上。

2.深圳国际研究生院宋清华团队与合作者在拓扑光学领域取得新进展

2月27日，在光学中，连续域束缚态（BIC）是一种特殊的光学奇点，其能量被局域化，无法向外传播，从而在动量空间中形成一个不辐射、Q值无穷大的偏振奇点，围绕该奇点的偏振分布具有非平庸的拓扑荷。因此，BIC在涡旋光产生、场增强和高Q值等光学应用中具有广阔的前景，对拓扑光学领域具有深远影响。

传统利用超表面和光子晶体实现的BIC通常依赖于严格的周期性结构，结构的无序会破坏周期性，导致BIC退化成准BIC（即QBIC），其拓扑性质也随之消失。因此，过去关于BIC的研究通常会尽量减轻无序的影响。然而，无序性为结构控制提供了额外的自由度，这在波前调控应用中至关重要。因此，如何在BIC中引入有效的无序信息而不破坏BIC的拓扑特性，成为拓扑光学领域中的一个重要挑战。

图1.实-动量空间拓扑光子晶体效果示意图

为了解决这一问题，清华大学深圳国际研究生院副教授宋清华团队联合新加坡国立大学教授仇成伟、洛桑联邦理工大学教授罗曼·弗勒里（Romain Fleury），首次提出了一种实动量拓扑光子晶体的概念（图1）。该研究提出了无序辅助的实动量拓扑光子晶体，为拓扑光学领域的应用开辟了新的方向，这一创新性研究有望推动光子芯片等微纳光学器件的发展，并可应用于高稳定性高容量的光通信技术、复杂结构光的生成、高维量子纠缠技术、生物粒子的精细光学操控、AR/VR显示器件等领域。

研究发现，光子晶体中存在一种特殊的BIC共振模式，该模式的场分布中也包含一个拓扑奇点，且围绕该奇点的相位具有非平庸的拓扑荷。这种拓扑共振模式对结构微扰具有免疫性，当结构发生微小变化时，由于奇点的拓扑保护作用，该共振模式不会受到影响（图2），从而显著地提高了BIC的稳定性。该拓扑光子晶体的BIC动量空间拓扑奇点与实空间中的几何相位分布共存，后者可用来引入无序状态，从而编码额外的波前调控信息。

图2.具有对结构微扰免疫的拓扑共振模式。其电场分布在结构中心呈现一个奇点，相位分布具有非平庸拓扑荷，不受结构微扰的影响

作为概念验证，研究团队通过在实空间中旋转超表面结构引入几何相位，利用两个空间中的双重拓扑荷，成功实现了具有嵌套图案和高维拓扑荷的实-动量双涡旋。此外，该研究还将全息图像编码到几何相位中，并通过实验验证，成功恢复了高质量的超构全息图和动量涡旋光束（图3）。动量奇点的色散特性以及几何相位的宽带工作特性，使得两个空间能够实现波长控制的分离和重组，从而提供更高的可调性和信息容量。

图3.BIC处实现波前调控。通过几何相位编码形成的全息图具有宽带特性（上），而由BIC拓扑产生的涡旋光具有窄带特性

2月26日，相关研究成果以“无序辅助的实动量拓扑光子晶体”（Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal）为题，在线发表于《自然》（Nature）。宋清华、仇成伟、罗曼·弗勒里为论文通讯作者，清华大学深圳国际研究生院科研助理秦昊烨（现为洛桑联邦理工大学博士生）为论文第一作者，清华大学深圳国际研究生院2022级博士生苏增平和洛桑联邦理工大学博士后张哲为论文共同第一作者。其他作者还包括清华大学周济院士，清华大学深圳国际研究生院李勃研究员、2024级博士生吕文静、2022级博士生杨子矜、2022级硕士生高心越，新加坡国立大学陈伟锦博士后和卫珩博士，同济大学施宇智教授。研究得到国家自然科学基金委、深圳市科技创新委员会等的支持。

3. 中国科学院苏州纳米所詹高磊研究员与合作者在纯有机框架莫尔异质结制备中取得重要进展

近期，中国科学院苏州纳米所詹高磊研究员与合作者在纯有机框架莫尔异质结制备中取得重要进展，实现了直接通过单体缩聚制备大面积转角一致的共价有机框架（COF）莫尔超晶格。相关成果以Moiré two-dimensional covalent organic framework superlattices为题，发表在《自然·化学》(Nature Chemistry) 。

图1.双层共价有机框架的制备及莫尔超晶格调控示意图

从可灵活设计的分子前驱体出发合成高度有序的二维聚合物是设计晶格、轨道和自旋对称性的一种有用策略。研究团队此前通过固-液界面扫描隧道显微术（STM）在分子尺度原位分析了单层二维聚合物的动态聚合与结晶过程，揭示了传统手段难以测量到的成核生长速率与晶界迁移规律（Nature 2022,603,835）。与其他二维材料类似，二维聚合物有序堆叠成双层可能会产生在单层材料中不具备的独特光电、电荷传输和磁性性能，然而，控制二维聚合物的层间堆叠仍面临较大的挑战。

此项研究表明，分子官能团的设计、衬底的选择以及混合溶剂的调控都是影响层间堆叠方式的重要因素。二甲基亚砜增加了单体的溶解度，而1,2,4-三氯苯作为不易挥发性溶剂，使得聚合反应可以有序发生，且层间堆叠过程可以被分子分辨的原位表征手段（STM）实时追踪到。通过调控混合溶剂的比例，可以大幅度降低分子自组装和无序相在表面的覆盖度，有利于研究高度有序的二维聚合物的层间堆叠行为。同时高分辨透射电子显微镜和理论模拟表明特定扭转角度下存在能量最小值，揭示了分子结构中-BOH的位置及结构对称性与层间非共价相互作用（范德华力、静电力、氢键）直接关联，阐明了层间作用的精细调控可选择性实现大面积AA堆叠与特定转角COF超晶格。

此项研究为精确控制二维COF莫尔超晶格的制备提供了有效策略，有望推动纯有机莫尔超晶格在光电子学和纳米器件等领域的应用。中国科学院苏州纳米所詹高磊研究员、新加坡国立大学罗建平教授、浙江工业大学朱艺涵教授、比利时鲁汶大学Steven De Feyter教授为论文共同通讯作者。此项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金等项目的资助，以及中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）在材料表征上的支持。

图2.双层莫尔COF超晶格结构与AA堆叠的高分辨表征

图3. 通过调控层间相互作用获得确定性扭转角的COF超晶格材料

4.中国科大在石墨烯量子点器件中实现对单电子自旋填充顺序的电学调控

中国科大郭光灿院士团队郭国平、宋骧骧等与本源量子计算有限公司合作，利用双层石墨烯中迷你能谷（minivalley）自由度与自旋自由度之间的相互作用，实现了对石墨烯量子点中单电子自旋填充顺序的电学调控。研究成果以“Switching spin filling sequence in a bilayer graphene quantum dot through trigonal warping”为题，作为封面文章发表在1月21日出版的国际物理知名期刊《Physical Review Letters》上，并被选为“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）。

石墨烯因其较弱的自旋轨道耦合和超精细相互作用，被认为是承载自旋量子比特的理想材料体系之一。其特殊的能带结构为电子提供了能谷等不同于电荷、自旋的其他物理自由度，既可以直接用于编码新型量子比特，也可以通过其与自旋自由度之间的相互作用实现对自旋态的调控。随着研究的深入，人们发现在双层石墨烯中施加一个垂直方向的电场，除了可以产生一个大小可调的能隙外，还会调节石墨烯能带边缘的三角扭曲（trigonal warping）结构，使能带在每个能谷附近进一步产生三个深度可调的能量极值点，称为迷你能谷。最新研究表明，这些电场可调的迷你能谷可以影响双层石墨烯器件的输运性质，但它们与自旋等其他物理自由度之间的相互作用还没有得到深入研究。

图1.双层石墨烯中电子的自旋（spin）、能谷（valley）、迷你能谷（minivalley）自由度示意图。

研究团队制备了基于双层石墨烯的栅控量子点器件（图2a），可将电子逐个填充进直径约50 nm的束缚势场中。这样低的器件载流子浓度使费米面得以接近带边的迷你能谷，为研究迷你能谷与其他自由度间的相互作用提供了理想平台。通过标定单电子能级在外磁场中的塞曼劈裂（图2b），研究团队分别在小电场和大电场下，实现了对量子点中前12个电子的自旋及能谷填充顺序的分辨。实验结果表明，在小电场下，前12个电子被填充进了两个壳层中，其中第一壳层会依次填充进两个自旋向上和两个自旋向下的电子，且连续填充的两个电子来自不同能谷，形成“2+2”的壳层结构。而在大电场下，所有12个电子均被填充进了第一壳层。尽管能谷配对填充的特征没有改变，但自旋的填充顺序被显著调制了：第一壳层依次填充进了6个自旋向上和6个自旋向下的电子，形成“6+6”的壳层结构。

图2. (a)双层石墨烯栅控量子点器件结构示意图；(b)由于自旋塞曼效应，单电子隧穿峰随面内磁场产生移动；(c)利用垂直电场调节迷你能谷自由度，实现对自旋填充顺序的电学调控。

根据泡利不相容原理，两个状态相同的电子不能占据同一轨道。大电场下，前6个填充电子的自旋相同，能谷两两配对，这说明体系中必然存在额外的三重简并自由度。团队经过理论计算，指出动量空间中的三重迷你能谷，随着电场强度的增加而逐渐加深且彼此分离，直至其中的电子波函数不发生交叠，从而形成了新的物理自由度。这一结果表明，双层石墨烯中的迷你能谷，可作为独立于自旋和能谷的量子自由度。更重要的是，利用其与自旋自由度之间的相互作用，能够电学调控自旋的填充顺序，实现总自旋为3的高自旋态的制备。这一三重简并的自由度，有望用于对SU(3)对称性的量子模拟。

中国科学院量子信息重点实验室博士生秦国铨为论文第一作者，物理学院郭国平教授、苏州高等研究院宋骧骧特任研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、江苏省的资助。