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過去十年來，所謂的單層材料受到科學(xué)家們的高度重視，因為這些材料在物理學(xué)領(lǐng)域具有非常大的潛力。2016年初，德國維爾茨堡大學(xué)的研究團隊受到歐洲研究委員會(ERC)1500萬歐元的資助，用于研究過渡金屬硫化物(TMDC)，如今已取得一定進展。

在物理學(xué)中，“單層”指固體材料的最小厚度，通常是單個原子層厚度，晶體材料可以是三層或更多層原子，也稱為二維材料。二維材料經(jīng)常表現(xiàn)出意想不到的特性。如TMDC，具有類似于半導(dǎo)體的特性，可用于制造超小型、高能效芯片。

TMDC結(jié)構(gòu)

TMDC具有相當(dāng)簡單的二維結(jié)構(gòu)。鉬或鎢等過渡金屬原子的單排結(jié)構(gòu)，夾在同樣薄的硫元素層之間。不同基礎(chǔ)成分搭配制成的TMDC具有大范圍的電子和光學(xué)特性。

圖在特定條件下，下層的單原子層發(fā)射不同頻率的光子對，示意圖中分別用紅色和綠色來代表

　　
潛在應(yīng)用

德國維爾茨堡大學(xué)教授團隊通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TMDC吸收能量時能夠發(fā)光。試驗表明，這種新型單層材料可用于制造新型高效節(jié)能激光源，也可用于量子效應(yīng)的研究。

　　
1應(yīng)用一：量子通信研究

　　
首先，通過一種簡單的方法制備單層材料。第一步，用膠帶從TMDC晶體上剝下多層薄膜。再從多層薄膜上剝下更薄的薄膜，如此反復(fù)，最終得到單層材料。

　　
然后，將該單層材料冷卻到略高于絕對零度的溫度，并用激光激發(fā)，在這種特定條件下，該單層材料將發(fā)射單個光子。研究人員解釋道，實際上激發(fā)出的是兩個光子，光粒子是成對產(chǎn)生的。

　　
這種光子對源非常有趣：光子對的兩個光子狀態(tài)相互交疊，糾纏在一起。一個光子的狀態(tài)直接影響另一個光子，且不受距離限制，這種原理可以用于加密通信。

　　
2應(yīng)用二：用于新型激光源

　　
維爾茨堡大學(xué)的科學(xué)家演示了這種單層材料的另一種應(yīng)用。在兩個鏡子之間放置單層材料，然后用激光激發(fā)。當(dāng)激光的輻射達到一定程度時，TMDC開始發(fā)射光子。這些光子碰到鏡子后發(fā)色回TMDC板，刺激TMDC原子產(chǎn)生新的光子。

　　
研究人員稱：“我們將這一過程稱為強耦合。光和物質(zhì)作用生成激子極化光子。”這是首次在室溫下，在單原子層材料探測到極化光子。

　　
這種“克隆”光子與激光有相似的特性，但產(chǎn)生原理完全不同。理想情況下，在初始激發(fā)之后，就可通過自給自足方式產(chǎn)生新的光粒子，而不再需要任何額外的能量供應(yīng)。

　　
與之相反，在激光器中的激光材料需要外部持續(xù)激發(fā)。

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