空间分辨率接近量子极限的激光制造真相究竟是什么？

自1990年代初飞秒激光问世以来，超快激光加工一直被认为是一种很有前途的纳米加工方法，在制造硬加工材料和实现精细三维结构方面是独一无二的。实现高制造分辨率的第一个障碍，即所谓的光学衍射极限，已经跨过了。现在，出现了一个新问题，该技术能提供多高的精度，它的分辨率极限是多少?为了实现这一目标，中国科学家报告说，通过利用阈值追踪和锁定方法，空间分辨率提高到量子极限，并实现了小于5 nm的特征尺寸。通过这种方式，可以确定性地创建具有统一产率和高定位精度的单个量子发射器，为集成量子技术应用向前迈进了一步。

自飞秒激光作为三维加工工具的早期演示以来，已经制造了具有令人兴奋的光学、电子、机械和磁性功能的微器件，从而实现了从3D量子光子集成电路到智能微型机器人的新概念。在过去的十年中，该领域已经投入了大量精力来提高制造空间分辨率，并且已经报道了基于多光子吸收、刺激发射耗尽、远场诱导近场增强和光激发诱导化学键效应的数十纳米特征尺寸。然而，单电子晶体管、单光子发射器、单原子存储器或量子位器件等高级应用需要更高的制造空间分辨率。

在发布在《光科学与应用》上的一篇新论文中，由清华大学精密仪器系精密测量技术与仪器国家重点实验室的孙洪波教授及其同事领导的科学家团队提出并使用阈值跟踪和锁定方法进行接近原子尺度的制造。 通过它实现了< 5 nm，~λ/100的特征尺寸，接近量子极限。通过这种方式，研究人员可以实现单光子源的近统一产率制造，具有高定位精度和对晶格的最小损坏。这些单光子源具有高亮度、高发射纯度和高稳定性。这种接近原子规模的激光制造代表了可扩展量子光子技术向前迈出的重要一步。这些科学家总结了TTL技术的原理：

“我们的想法是使用额外的激光脉冲来精确跟踪在初始脉冲下是否发生原子或近原子尺度损伤。目标材料的固有损伤阈值被精确锁定。值得一提的是，这种反馈方法不依赖于仪器的检测灵敏度，可以精确锁定目标材料的内在损伤阈值，用于纳米级激光制造。

“我们证明了这项工作中的激光制造精度已经达到了量子极限，这是继光学衍射极限之后的新里程碑。当激光能量接近近原子尺度损伤阈值时，单个原子的激光烧蚀不一定发生在聚焦光斑的几何中心。这是因为，在这种极限状态下，激光能量提供的梯度将非常平坦。激光能量梯度定义的击穿区域将失效，局部原子烧蚀将随机发生在某个区域，这将由局部电子的位置和能量波动决定，而不是入射激光的功率密度斜率。

“通过TTL技术，可以实现具有纳米级定位精度的单光子源的近统一良率制造。同时，这些单光子源表现出高亮度、高发射纯度和高稳定性等优异特性。这一结果表明，接近原子尺度的激光制造在量子器件应用方面具有巨大潜力。