“一个有意思的发现是，对我来说睡一觉往往是解决科研问题的最好方式。如果采用四种以上方法都没能解决，我就会到此打住，因为这说明按照今天的思维去思考，很有可能是错的。反而睡醒起来后，大脑仿佛得到重启，总能提供完全不一样的思路。”这是电子科大博士生吴错独特的“科研窍门”。
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吴错（来源：吴错）
他叫吴错，生于年，四川绵阳人。本科毕业于电子科技大学，后被保送到该校基础与前沿研究院王志明教授团队读博，期间接触到物理光学并产生了浓厚兴趣，后接受南丹麦大学纳米光学中心和电子科大的联培。此前曾获国家奖学金、国家公派奖学金、以及四川省优秀毕业生等奖励和荣誉。
1月12日，他的最新一作论文以《室温片上轨道角动量单光子源》（Room-temperatureon-chiporbitalangularmomentumsingle-photonsources）为题发表在ScienceAdvances上，电子科技大学为一单位，其导师王志明教授与南丹麦纳米光学中心主任谢尔盖·博热沃尔尼（SergeyI.Bozhevolnyi）院士以及丁飞教授共同参与指导[1]。
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相关论文（来源：ScienceAdvances）
攻克量子光源调制的小型化和紧凑型难题
自由空间的量子光学计算系统，通常要搭建复杂的光学组件，体积也比较大。如何将自由空间的量子光学计算体系的组件进行小型化、并实现紧凑性，是下一代集成解决方案的研究方向。
不同于电学集成，光子的本征特性使得该研究所面临问题的复杂度和维度都更高。
首先是理论更加复杂，其次是材料不统一。光学器件的复杂性，在于使用硅基工艺并不能完全实现所有光学特性，还有一系列功能需要其他半导体、以及非线性材料才能实现，材料工艺的不兼容性使得系统集成面临巨大挑战。
此外，也需要设计新型的结构去实现相位调制、滤波以及高灵敏的片上单光子探测等功能。
量子集成光学芯片的核心组件是有源部件，即在片上就能提供量子光学所需的单光子源。当前，可用于片上集成的光源体系主要有量子点、二维材料应力缺陷、DBT分子和纳米金刚石色心。
（来源：ScienceAdvances）
前三者的常温寿命极短且不稳定，低温和强磁场的工作环境又异常苛刻。金刚石由于本身晶体结构就很稳定，且金刚石色心能在常温下激发出稳定的单光子，从而能在室温中长时间工作，这极大帮助了单光子源在室温条件下的集成。
另据悉，单光子源可被有效耦合到波导上，从而在片上进行传播，但它对光源的直接调控能力依然受限。而超表面能对光学的本征特性比如偏振转换、偏振选择、波前相位调制，来改变传播方向和形成轨道角动量。
特别是轨道角动量光束，为光学现象和物理现象提供了新理解，揭示了宏观物理光学和微观量子光学之间的微妙联系和应用，包括光操作、光通信、目标识别、自旋和轨道相互作用、高阶量子纠缠和非线性光学等。
（来源：ScienceAdvances）
因此对于超表面来说，它对光的调控能力很强大，应用空间也很广阔。但无论是经典光源、还是单光子源，都会依赖外部光源，比如激光或者自发参量下转换（SPDC，SpontaneousParametricDown-Conversion）的输入。这导致将光源直接与超表面集成，成为该领域内始终未被攻克的难题。
要想给难题照进曙光，起码需要解决如下分支问题：一是光源如何有效集成在片上？二是所集成的光源能否辐射单光子并调控轨道角动量么？三是单光子源能在室温下工作么？四是集成能否与CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）的制备工艺相兼容呢？
针对这几个具体问题，吴错采用NV色心的纳米金刚石作为量子发射器，从而保证室温条件下单光子辐射的稳定性。
（来源：ScienceAdvances）
而基于银的金属衬底，可以支持亚波长模式的表面等离激元，进而提高集成的紧凑性。另外，他还通过将阿基米德螺旋结构的超表面，精确设计在纳米金刚石的周围，来提供相位调控的功能。
由于吴错采用负性光刻胶HSQ（HydrogenSilsesquioxanePolymers，种半导体级纯度的氢倍半硅氧烷聚合物）进行了一次结构成型，因此对CMOS的制备工艺非常友好。
最终生成的器件，发射出的单光子束具有良好的准直特性，并带有不同的自旋角动量和轨道角动量，且两种角动量态具有纠缠特性。
疫情促成了此次研究的立项
对于研究过程，吴错回忆称，该研究是基于超表面调控单光子束流相关研究的延伸探索，立项之初并非按照预期想法“有意为之”，更像是将科研融入生活后慢慢推进来的。
期间主要经历如下阶段：理论设计、结构建模、仿真计算、构建分析算法、器件制备、光路搭建以及实验表征等。
（来源：ScienceAdvances）
他说，此次立项要从丹麦疫情和学校关停导致无法开展线下实验说起。
在开展片上轨道角动量研究之前，他和合作者已经率先开展了另一个关于片上提供多个偏振通道的工作，当时需要用到南丹麦大学麦斯克劳森研究所（TheMadsClausen）的设备。因为疫情导致学校关停，该工作的进度很缓慢。
这时，吴错被迫只能将一些线下实验压缩为线上计算工作。虽然关停，但作为科研人员，他依然对日后可以开展线下实验充满期待。
因此，在进行计算工作时，他设定了一个前提条件：仅通过光刻胶HSQ的标准加工工艺，来达到器件的一次成型，这为之后开展片上轨道角动量的工作奠定了基础。
期间，吴错和导师王志明教授、以及丹麦的合作者，时常在线上开会探讨，借此打破国际交流阻碍，时不时会萌生很多新想法，比如片上调控光束偏转、选择性耦合、打破自旋的对称性、以及轨道角动量等。
而片上轨道角动量，只不过是众多想法中的一员。由于NV色心中含有两个正交的偶极子，其具有偏振不敏感的特性。通过对片上轨道角动量的理论进行了初步推导得知：聚焦的径向偏振激光，具有非常强的垂直于表面的激发分量，从而能够通过NV色心激发出在金属衬底表面径向分布的表面等离激元，将径向分布的电场简化为Jones矢量并通过外部结构来提供一个相位因子，便在理论上能够分解出对应可调的角动量拓扑数。
考虑到在实际制备中的限制，吴错还得尽可能设计出与理论相近的器件结构。为此，他采用FDTD法（时域有限差分法，FiniteDifferenceTimeDomain），对螺旋结构进行建模和三维全波仿真，因为局部态密度将量子发射器的量子跃迁过程和经典电偶极子的辐射过程相互联系了起来，因此可以把NV色心的垂直分量理想化为电偶极子的激励源。
利用FDTD中的编程语言，吴错构建了从器件结构、性能分析算法、到器件制备的快速实现和迭代流程。
但根据计算结果他发现，好的轨道角动量特性和超高的耦合效率之间存在一定的取舍，最终选择优先保证轨道角动量的特性。
（来源：ScienceAdvances）
在实际制备中，通过热沉积和磁控溅射，可加工出所需光学厚度的银衬底、以及较薄的二氧化硅层。
为何选用金属银？是因为金在nm以上的波长存在带间跃迁，这导致表面等离激元的吸收损耗会高很多，为保证更高的出射光子效率，因此选用了损耗更低的银。
而银在空气中容易氧化，所以通过覆盖较薄的二氧化硅层来对银进行保护。此外，二氧化硅层还能防止量子发射器的荧光淬灭、以及提高HSQ介质与衬底之间的粘附性。
（来源：ScienceAdvances）
结果发现，含多个NV色心的纳米金刚石粒径在~nm，在明场光学显微镜下不易被直接观测，而暗场光学显微镜则可观察到它的边缘散射光，因此可利用量子发射器的定位算法，对暗场图像进行计算、来获取相对坐标，进而利用电子束光刻技术，将给定坐标的位置进行HSQ的曝光显影成型。
此外，吴错还基于多个NV色心的纳米金刚石，对轨道角动量光束的调控进行了实验验证。
（来源：ScienceAdvances）
其次，他还让单个NV色心的纳米金刚石作为单光子源，由于其粒径更小，可利用荧光扫描图像来确定相对坐标。集成到器件前后的NV色心，其二阶相关性分别显示为0.17和0.22，表现出明显的单光子特征（小于0.5即可）。
利用量子态层析技术，通过适当选取测量的基和次数，满足非奇异性条件后，即可对角动量之间的量子态进行测量、并验证其纠缠特性。
（来源：ScienceAdvances）
有效助力高密度量子集成芯片的单片集成
对于研究中难忘的事，吴错表示：“首先是我的导师王志明教授在国际合作与交流上的支持。王老师是一直鼓励跨学科，跨学校，跨国别的合作研究，也非常鼓励学生走出去开展交流。他对我的学术研究一直有很高的期待，并时常支持和重视培养我们的研究方向和学术路径。虽然在课题探索方面存在波折，但在王老师的指导下我接触到物理光学方面的知识并产生了浓厚兴趣。丹麦的合作者也在研究中给予了很多的支持，中心主任SergeyI.Bozhevolnyi教授给我的印象很深，尽管年近古稀，但他对学术依旧孜孜不倦，在等离激元领域长期积累的丰富经历，使他总能把握研究中的细节和重点。南丹麦大学的丁飞教授作为一名颇具学术潜力的年轻教授，不仅在承担了多项研究生的主授课程和项目的情况下，还时常坐下来和我一起在理论上进行细致地推导，为我所提出的研究问题进行细心解答，拓展了我对前沿进展的理解，巩固了我的基础知识并为我的研究方案提供了宝贵意见。”
回顾研究过程，吴错表示：“我在光路搭建时，受到了南丹麦大学沙里什·库马尔（ShaileshKumar）教授的指导，他总能从不一样的数学路径来理解量子物理，让我受益颇丰。”
荧光的光路对环境光非常敏感，因此需要非常暗的环境来操作和测量，当房间灯一关闭，黑暗的环境仿佛把吴错从宏观世界一下拉进量子世界。他像个洞穴探险者一样，摸索着光路的全貌，在搭建期间用废了四组AAA电池。正是这样的付出，使他完成了该研究。
（来源：ScienceAdvances）
由于该成果可同时加载多个自旋和轨道角动量光束，吴错希望它在未来能极大提升光通讯、全息成像、量子集成系统的信息加载和传输能力，并能够有效助力于高密度量子集成芯片的单片集成。
-End-
参考：1、Wu,C.,Kumar,S.,Kan,Y.,Komisar,D.,Wang,Z.,Bozhevolnyi,S.I.,Ding,F.().Room-temperatureon-chiporbitalangularmomentumsingle-photonsources.ScienceAdvances8,eabk.
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