導讀

飛秒激光直寫技術是一種具備三維加工能力的制造技術，其加工分辨率問題一直是研究者關注的重點和國際研究前沿。采用多光子吸收可以在聚合物材料中達到亞10 nm精度，在硬質材料中可以達到亞百納米精度，超越光學衍射極限。然而，激光加工精度能否進一步突破，下一個極限精度是什么？研究人員實現(xiàn)了接近量子極限的激光加工精度，為單光子及量子比特器件的激光制備提供了新的技術路線。

背景

飛秒激光加工是當今世界最重要的精密加工手段之一，其獨特的加工方式使其能夠實現(xiàn)任意三維結構的加工制備，從而在集成光學、量子集成芯片等領域發(fā)揮著至關重要的作用。這一技術的優(yōu)勢在于其能夠在非真空條件下實現(xiàn)無掩�？焖倏虒�，并實現(xiàn)超越光學衍射極限的加工精度。隨著科技的不斷進步，各類納米器件、光量子器件、光子芯片的制備對加工精度提出了更高的要求。例如，單電子晶體管、單光子發(fā)射器、單原子存儲器或量子比特器件等都需要更高的制造空間分辨率（小于10納米，遠遠超出光學衍射極限）。為了滿足這些需求，研究激光極限加工精度和探索飛秒激光近原子尺度制造的新技術、新機理變得至關重要。在飛秒激光加工領域，研究者們一直在探索繼光學衍射極限之后的下一個極限精度。這一極限精度的突破將為各類光量子器件、集成量子芯片的發(fā)展和制備提供新的技術路線和更廣闊的發(fā)展前景。下一個極限精度是什么？

技術突破

飛秒激光近原子尺度制造的技術難點源于點缺陷的物理尺寸與衍射極限焦斑之間接近兩個數量級的差距。要實現(xiàn)近原子尺度激光加工需要精確鎖定材料的損傷閾值，然而材料損傷的檢測方式（例如光譜檢測，掃描電子顯微鏡等）依賴于儀器的靈敏度，難以確定材料的本征損傷閾值（化學鍵強度）。

針對此難點，研究團隊提出了閾值追蹤鎖定技術（TTL技術）并在實驗上實現(xiàn)了亞5nm精度的激光制造。此方法利用額外的激光脈沖（探測光）來檢測目標材料在初始脈沖（加工光）作用下是否已經產生了原子損傷。如果加工脈沖已經產生了原子損傷，在探測脈沖的作用下，該損傷區(qū)域會被進一步擴大從而在光學顯微鏡下被探測到。

值得一提的是，這種反饋方法不依賴于儀器的探測靈敏度，可以精確鎖定目標材料的本征損傷閾值從而進行納米尺度的激光制造。反饋機制的引入，使得我們能夠精準控制激光對材料的加工過程，極大地提升了加工精度。

更重要的是，當激光能量接近原子尺度損傷閾值時，單個原子的激光燒蝕并不一定發(fā)生在聚焦光斑的幾何中心。這是由于在該極限狀態(tài)下，入射激光提供的能量梯度（高斯分布的頂端）將非常平緩。而此時，在近原子尺度下，晶格中的電子由于量子力學不確定性原理，其位置波動和能量漲落的不確定性將接近甚至大于激光提供的能量梯度。由激光能量梯度定義的擊穿區(qū)域將失效，原子的燒蝕主要電子位置的波動，能量的漲落來主導，表現(xiàn)為原子在某一個區(qū)域（~幾納米，具體數值跟目標材料相關）隨機擊穿或去除。

該工作中的激光制造精度已達到量子極限，這是繼光學衍射極限之后的一個新的里程碑。這一突破意味著我們可以利用飛秒激光在原子尺度上制造出更加復雜和精細的結構，對于未來的納米科技和量子計算領域具有重大意義。

圖1.飛秒激光近原子尺度制造精度的機制及實驗驗證

將該制造方法應用于量子光源的制備，成功在寬禁帶半導體中制備出了納米級定位精度的高性能單光子源。通過計算機程序的控制，可以實現(xiàn)大規(guī)模、任意圖案的單光子源陣列的激光制備，以確定性的方式在激光加工位點獲得一個單光子源，產率近乎達到100%，單光子純度非常高。

此外，利用飛秒激光近原子尺度制備的量子光源具有非常高的亮度，每秒可以發(fā)射近千萬個光子（目前可見光波段亮度最高），并且具有高的光子計數穩(wěn)定性。在實驗室條件下，這些單光子源在持續(xù)一年的時間里一直保持非常穩(wěn)定和優(yōu)越的性能。

值得一提的是，TTL技術具有廣泛的材料適應性，開辟了納米器件制備工藝新途徑，在各類光量子器件、納米傳感器件的激光制備等領域具有重要的應用前景。通過使用該技術，我們能夠以前所未有的精度和效率制備出高質量的單光子源，為未來的量子科技和納米制造領域帶來了新的可能性。

圖2.近原子尺度制造大規(guī)模量子色心及熒光光譜、單光子純度表征

圖3.近原子尺度制備的單光子源的亮度，偏振及穩(wěn)定性表征

文章來源：LightScienceApplication；作者：Light新媒體

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