鈣鈦礦 × 電漿子奈米共振腔突破：清華大學打造全球最亮量子光源

Sammi Chiu
6月12日
讀畢需時 6 分鐘

清華大學材料系團隊將鈣鈦礦量子點嵌入銀奈米立方體與銀薄膜之間，形成僅約 10 奈米的電漿子奈米共振腔，實現室溫下高速、不閃爍的單光子源，每秒可發射超過 23 億顆光子。

鈣鈦礦不只做太陽能，也走進量子科技核心

鈣鈦礦材料近年多被大眾認識為次世代太陽能電池的關鍵材料，但它的應用並不只停留在發電。根據國立清華大學與《TechNews 科技新報》報導，清華大學材料系林皓武教授率領研究團隊，成功在室溫下打造出全球最亮、高速且不閃爍的單光子源，每秒可發射超過 23 億顆光子，成果已發表於國際期刊《Science Advances》。

這項研究的核心亮點，正是「鈣鈦礦量子點」與「電漿子奈米共振腔」的結合。透過奈米尺度的結構設計，研究團隊大幅提升光子發射效率，讓鈣鈦礦材料從太陽能應用延伸到量子通訊、量子光子晶片與未來量子運算元件領域。

單光子源為何重要？量子通訊的關鍵元件

量子科技被視為下一階段通訊、運算與感測的重要技術基礎，而單光子源則是其中不可或缺的核心元件。所謂單光子源，是指能夠「一次只發出一個光子」的光源。在量子通訊與量子光子晶片中，光子可作為資訊傳遞的基本單位。因此，單光子源的亮度、速度與穩定性，會直接影響未來量子系統的傳輸效率與實用化程度。清華大學指出，要在室溫下同時達到高亮度、高速發光與穩定不閃爍，一直是全球量子光電領域的重要挑戰。

本次清華團隊的技術亮點，在於將鈣鈦礦量子點與約 100 奈米的銀奈米立方體結合，並把量子點嵌入銀奈米立方體與銀薄膜之間，形成厚度僅約 10 奈米的「電漿子奈米共振腔」。

這個奈米級空隙可以大幅壓縮光場，使光與物質產生強烈交互作用，進而提升單光子發射效率。換句話說，電漿子奈米共振腔不只是承載量子點的結構，而是讓鈣鈦礦量子點發光性能被大幅放大的關鍵平台。

兩性離子配體保護量子點，解決製程相容性難題

然而，這項結構真正困難的地方，在於材料相容性。清華大學說明，銀奈米立方體製程中需要接觸酒精等高極性溶劑，但傳統鈣鈦礦量子點一旦接觸這類溶劑，容易溶解並失去發光能力。

為了解決這項問題，論文第一作者、清華材料所博士生廖子豪負責鈣鈦礦量子點的合成改質、共振腔製作與光學量測。研究團隊使用特殊「兩性離子」配體包覆量子點，使量子點能抵抗極性溶劑，同時維持高達 95% 的發光效率。

這層兩性離子配體，就像替鈣鈦礦量子點穿上一層抗溶劑的「奈米雨衣」。有了這層保護，原本容易被酒精破壞的量子點，才能順利進入銀奈米立方體與銀薄膜之間的電漿子奈米共振腔。

帕塞爾效應加速發光，發光速度提升 435 倍

當鈣鈦礦量子點被放入電漿子奈米共振腔後，關鍵的物理機制是「帕塞爾效應」（Purcell effect）。清華大學指出，量子點與共振腔結合後，發光速度大幅提升 435 倍，發光壽命縮短至 12 皮秒以下，整體發光強度則比整合前增加達 250 倍。這代表共振腔能有效改變光子釋放的速率，使光子更快被釋放出來，進而形成極高亮度的單光子源。對量子光電元件而言，這不只是亮度提升，更代表元件反應速度與可用性同步提升。

更值得注意的是，這項技術也解決了量子點長期存在的「閃爍」問題。一般量子點在發光時，常會在亮態與暗態之間隨機切換，使輸出訊號不穩定。

林皓武教授指出，當放光速度變得極快時，量子點甚至來不及進入不發光狀態，因此亮度能夠維持穩定，進一步實現不閃爍的單光子輸出。對量子通訊與量子光子晶片而言，這種穩定性與高亮度同樣重要。

清華大學也提到，團隊在量測時使用自行改裝的國產共軛焦顯微鏡，因光源亮度過高，偵測器一度出現過曝飽和，最後必須在光路上加裝多層中性密度濾鏡，才能完成量測。

實測結果顯示，這款元件亮度領先國際既有紀錄逾十倍，顯示鈣鈦礦量子點結合電漿子奈米共振腔後，確實能在室溫條件下達到極高的單光子輸出能力。

從材料應用角度來看，這項成果也讓外界重新看見鈣鈦礦的多元潛力。鈣鈦礦不只是太陽能電池材料，也可作為高效率發光材料、量子點材料與光電元件平台。

本次清華團隊透過兩性離子配體與電漿子奈米共振腔設計，同時處理材料保護、光場增強與發光穩定性三個問題，讓鈣鈦礦量子點不再只是高效率發光材料，也有機會成為量子光電元件的重要平台。

未來有望應用於量子加密通訊與量子電腦

清華大學表示，這項成果由清華團隊獨立研發，並獲國科會及教育部「國家重點領域頂尖研究中心計畫」經費支持。林皓武教授預估，這項技術未來 5 年內有機會應用於量子加密通訊，5 至 10 年內有望成為量子電腦的核心元件之一。團隊下一步也將開發多色光源，並朝光纖通訊適用的紅外光波段邁進。

整體來看，清華大學這項研究最大的意義，不只在於刷新單光子源亮度紀錄，更在於證明「鈣鈦礦量子點 × 電漿子奈米共振腔」是一條具備高度潛力的量子光源技術路徑。當全球量子通訊、光子晶片與量子運算持續發展，能在室溫下運作、具備高亮度、高速度與不閃爍特性的單光子源，將可能成為未來量子科技走向實用化的重要關鍵。這項成果也讓台灣在鈣鈦礦材料、奈米光子學與量子光電技術的交會領域，展現出具備國際競爭力的研發能量。