神奇的类石墨烯材料，有望应用于量子通信

光子盒研究院出品

石墨烯是一种由一层厚的碳原子组成的材料，呈蜂窝状排列。人们用它来使材料更坚固、制造通信的超高频组件、提高电池性能、甚至检测新冠肺炎。它是典型的二维材料——但二维材料包含的范围比石墨烯要广得多。

自2004年石墨烯首次被分离出来以来，研究已经扩展到制造其他非碳二维材料。现在已经有数十家这样的公司从事这项研究，这些非碳二维材料在石墨烯不太适用的领域发挥了重要的作用，比如新型晶体管和下一代光电子设备，这些设备可以产生、检测并控制光线。

最近，英国巴斯大学的研究人员研究了一种新形式的材料二硫化钨(WS₂)，它既是二维材料又是三维材料。WS₂是一种半导体——如同存在于几乎所有电子设备中的硅。然而，与硅不同的是，WS₂可以以稳定的二维形式存在。用一种新的方式排列WS₂，从而可以以二维平面创建被称作是纳米网的三维结构。

WS₂纳米网能使激光的频率增加一倍，波长减半，而且还能改变颜色，因此WS₂的作用非常广泛。这就意味着可以把WS₂用在使用光的量子通信组件中，我们可以用这种组件检测到试图“窃听”信息的行为。因为光子可以用来携带信息，所以光在量子通信中非常重要。当两个光子经历量子纠缠时，不管它们相距多远，只要其中一个发生了变动，另一个就立即观察到这种变动。

我们相信量子通信有潜力在世界范围内提供真正安全的通信。因为我们可以利用量子纠缠的奇异特性设计一个系统，在这个系统中，发送方可以立刻知道系统中的信号被截获。

到目前为止，许多研究都在尝试使用激光来完成量子通信。但是为了做到这一点，我们需要一种有效的控制光的方法，这可以通过二维材料来实现。

量子通信不会遭到黑客的攻击。

在二维材料中，电子可以在二维空间中运动，但它们在三维空间的运动会受到限制。这种限制使二维材料具有了有趣的特性，这个特性意味着二维材料在IT、通信、传感、能源、成像和量子计算等领域的超薄器件上有很大的前景。在这些领域中，材料的结构是只有一个原子厚度的二维材料被平放在一个支撑面上。

然而，不幸的是，由于这些材料非常薄，所以它们的强度很低，这也是它们最大的弱点。这意味着，当照亮这些材料时，可见光只能与它们在非常小的厚度上相互作用，所以产生的效果很弱。为了克服这个问题，许多研究人员开始寻找一种新的方法，将二维材料组合成复杂的三维结构。

英国巴斯大学的Adelina Ilie和她的博士生研发了一个网状的三维网络，由密集的、随机分布的堆栈组成，包含了旋转并且融合的二维薄片，称为纳米网。纳米网的独特特性正是他们研发的该合成工艺的结果。创造纳米网的过程从可以填充WS₂的一维纳米管(轧制板)开始，这个一维纳米管就如同一个支架一样。WS₂薄片可以在纳米管尖端和两侧生长，彼此旋转并像扇形展开，从而使得纳米管中充满了WS₂这种材料。然后，这些薄片相互融合，从而创造出更大的二维薄片，并在三维空间里相交，进而形成了纳米网。

在半导体内部是能带，并由能隙隔开。只有能量大于能隙的光才能以一种有用的方式与材料相互作用。如果在这个能隙中引入新的能级，通过这种材料的光的频率会翻倍，而且效率会更高，并且可以在更大的波长范围内发生。这正是纳米网所实现的，它改变了材料的能量图景——能带、能隙和能隙内的能级。

巴斯大学研究人员的测量表明，这种纳米材料确实能在多种颜色中有效地将一种激光颜色转换成另一种颜色。与平坦的WS₂层相比，纳米网对广泛波长的光响应更加高效，同时也更加耐用，而且能够增长到很大范围。

研究证明，将二维材料组装成三维结构后，该材料不仅与光相互作用更强，而且还具有全新的性能。

在技术方面，该团队制作的纳米网很容易大规模生产，而且可以提供可调整的与光线的交互作用。通过加入小型金属纳米颗粒或第二种材料等方法，该材料还有进一步发展的空间，例如，上述混合材料将提供其他改变通过它们的激光的途径。

该团队的下一个目标是将纳米网整合到能够传输和改变光线的设备中，并将其与传统的微电子技术结合在一起。这是一条发展实用的量子光通信的途径。

参考链接：

https://theconversation.com/folding-2d-materials-gives-them-new-properties-useful-for-quantum-communications-new-research-160741

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