物理学院极端光学研究创新团队在PRL发表微纳尺度腔量子电动力学新原理

微纳尺度上的强耦合对于芯片上量子器件集成以及可扩展的量子网络有重大意义。近日，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室古英研究员、龚旗煌院士和山西大学的张天才教授等合作，首次理论上提出利用疏逝电磁真空增强表面等离激元纳腔和量子发射体的可逆相互作用，并利用纳米线的倏逝波对体系辐射出的光子进行有效收集。这项研究成果发表在最新一期《物理评论快报》【Physical Review Letters 118，073604（2017）】上，文章题为“Evanescent-Vacuum-Enhanced Photon-Exciton Coupling and Fluorescence Collection”，北大博士研究生任娟娟是第一作者，古英研究员为通讯作者。

随着纳米技术的发展，光学腔的尺寸越来越小，甚至可以达到亚波长尺度或者纳米尺度，同时伴随着非常局域的电场。由于金属的损耗以及低的收集效率，单个表面等离激元纳腔和单个量子发射体的强耦合很少被报道。论文通过精心设计光学模式，将金属纳腔置于金属或者介质纳米线提供的一维的电磁真空背景中，通过一维电磁背景强局域效应，可极大地增强单个量子发射体和金属纳腔的相互作用。理论指出在疏逝的电磁背景下，纳米间隙中的耦合系数可以达到真空中的4.2倍，同时荧光收集效率可提高到47%。此外，这个体系辐射出的光子，还可以通过纳米线的一维倏逝波导入到集成芯片上。

（a）嵌在疏逝真空的金属纳腔；（b）银纳米线的一维倏逝波；（c）和（d）纳米线存在时和不存在时的金属纳腔的场分布；（e）疏逝真空增强的耦合因子。

该研究得到国家自然科学基金委“杰出青年科学基金项目”“创新群体项目”、科技部“973项目”，以及量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等的支持。

编辑：安宁