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“极端光学创新研究团队”发现拓扑保护下珀塞尔系数的吸收减少效应

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极端光学创新研究团队古英教授和龚旗煌教授等在腔量子电动力学和拓扑光子学的交叉研究中取得重要进展：提出了拓扑保护下的边界态主导的模式耦合机制，在此基础上发现了腔量子电动力学弱耦合体系在拓扑光子晶体中的珀塞尔增强的吸收减少效应，并实现了高光子收集效率。相关研究成果发表在物理学权威期刊《物理评论快报》上。[“Absorption Reduction of Large Purcell Enhancement Enabled by Topological State-Led Mode Coupling, Physical Review Letters, 126, 023901 (2021) DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.023901]。

拓扑光子晶体的拓扑态具有光子无散射传播和免疫缺陷的拓扑保护特点，被越来越多地运用在微纳光子学和量子光学器件上，成为重要的光学新兴领域。微纳尺度的单光子源是片上量子信息处理的重要部分，利用微纳光子器件结构的局域场增强来改善单光子自发辐射是实现单光子源的关键原理，但无法避免散射和吸收造成的损耗，且在传输中单光子收集效率不高。研究团队首先提出了由拓扑态主导的模式耦合的原理，通过精心设计光学模式，将金属纳腔置于一维拓扑光子晶体中(图1(a))，通过拓扑态主导模式耦合的机制(图1(b))，实现了超大的珀塞尔增强，并得到了珀塞尔增强的吸收减少效应(图1(c, d))。同时，通过利用拓扑边界态作为光子传输通道，使得非吸收损耗的光子几乎全部被收集的高光子收集效率(图1(d))，最大光子收集率达到了79.5%。这种拓扑态主导模式耦合机制和相应的吸收减少效应，可以拓展到更高维度的光子结构上，对以后的拓扑光子晶体和微纳尺度腔量子电动力学的研究产生重要影响。同时，无散射的大珀塞尔增强可以应用在片上量子光源的制备上。

图1(a) 嵌入金属纳腔的一维拓扑光子晶体示意图；(b) 拓扑态主导的模式耦合机制示意图；(c) 无拓扑光子晶体环境的金属纳腔中珀塞尔增强；(d) 拓扑保护下的金属纳腔的珀塞尔增强。

北京大学博士生钱祉源是文章第一作者，本科生李智超是第二作者，古英教授为通讯作者。中山大学董建文教授参与合作研究。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委杰出青年基金、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心、广东省重点研发计划等的支持。

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》上[Physical Review Letters 118, 073604 (2017)]，文章题为“Evanescent-Vacuum-Enhanced Photon-Exciton Coupling and Fluorescence Collection”，北大博士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。

图1： (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。

间隙表面等离激元增强单光子发射与收集

北京大学“介观光学与飞秒光物理创新研究群体”古英副教授和龚旗煌院士等通过将分子放入纳米金属棒与纳米金属膜之间的纳米量级的间隙中并与波矢匹配光纤结合，理论实现了有效的单光子发射和纳米尺度一维低损传导，朝着实现芯片单光子源迈出了重要的一步。该研究结果发表在2015年5月15号的《物理评论快报》上。（Efficient Single Photon Emission and Collection Based on Excitation of Gap Surface Plasmons，PRL 114, 193002 (2015)）。论文第一作者是二年级博士研究生连航，古英副教授为通讯作者。。

单光子发射在腔量子电动力学、单光子源和基于腔的激光等领域都有基础的研究兴趣。基于“珀塞尔效应”的原理，通过改变电磁场的局域态密度可以增强自发辐射速率。为了实现光学器件芯片化，多种纳米光子学结构被提出来调控光的自发辐射和收集。介质纳米结构的缺点是对光的自发辐射的加快不够强，表面等离激元结构可以极大提高光子发射速率因此被提出来改善这一处境。其中间隙表面等离激元结构因为可以在金属纳米结构的间隙中达到极强的光场局域性，因而成了实现单光子的超快发射的优秀候选者。

通过结合间隙表面等离激元结构中超高的光子发射率与低损耗光纤有效的提取，他们从理论上在金属纳米棒-纳米膜结构中提出了有效的单光子发射与一维纳米尺度的传导。他们发现总的光子发射加快和表面等离激元通道的光子衰减速率变快可以达到只有金属纳米膜时的几十倍。特别的，他们利用波矢匹配光纤将表面等离激元通道的单光子导出，在波导中光的衰减速率可以达到真空中的290~770倍。这种新的机制将会对基于金属的光学腔、芯片上的超亮单光子源、和芯片上的基于表面等离激元的纳米激光器等研究领域有重要影响。

上述研究得到国家自然科学基金重大研究计划“培育项目”、“创新群体项目”以及科技部“973项目”、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室支持。

图1：量子发射体与纳米棒-纳米金膜间隙表面等离激元体系耦合，并与波矢匹配光纤结合。图2：自发辐射速率加快随着纳米棒尺寸变化。

基于表面等离激元的纳米颗粒电催化反应成像的理论模拟

“飞秒光物理和介观光学”基金委创新研究群体龚旗煌教授、古英副教授和博士研究生王珞珈与美国亚利桑那州立大学陶农建教授等合作完成的基于表面等离激元纳米颗粒电催化反应成像的论文于2012年8月26日发表在重要学术刊物 Nature Nanotechnology（Xiaonan Shan, Ismael Díez-Pérez, Luojia Wang, Peter Wiktor, Ying Gu, Lihua Zhang, Wei Wang, Jin Lu, Shaopeng Wang, Qihuang Gong, Jinghong Li and Nongjian Tao, Imaging the electrocatalytic activity of single nanoparticles, http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2012.134.html）。群体成员的主要贡献是对基于表面等离激元的纳米颗粒电催化反应成像过程进行了系统的理论模拟和分析，为实验结论提供了强有力的支持。古英副教授为共同通讯作者，本工作合作者还包括西班牙巴塞罗那大学IBEC和清华大学的研究人员。

金属纳米颗粒的电催化性能依赖于它们的数量、大小、形状和组成，对其进行准确的表征要求探测技术能够直接对单纳米颗粒进行测量。有别于测量大量颗粒平均电催化反应电流的传统技术，陶教授及其合作者研究的基于表面等离激元的电化学电流成像（P-ECi）技术可以快速、非侵入式成像并量化大面积电极表面的单铂金纳米颗粒或者纳米颗粒阵列，使其特别适合于快速筛选不同条件下制备的纳米颗粒催化剂。P-ECi技术还可以测量单铂金颗粒的循环伏安曲线。

实验测量的结果与利用有限元计算软件COMSOL模拟的理论模型符合的很好。数值模拟给出了铂金纳米颗粒对电极表面传播的表面等离激元模式的散射，证实了单纳米颗粒成像的实验结果（图一a,b,d,e）。改变模型中纳米颗粒附近的折射率，可以模拟电催化反应成像（图一 c,f）。电催化反应发生引起颗粒附近的氢分子浓度增加，环境折射率减小，使其可以通过散射信号的变化进行监控。

图一：80nm和40nm铂金颗粒表面等离激元成像的实验和数值模拟结果。

通过将表面等离激元光学应用于生物化学探测，陶教授及其合作者获得了可同时进行高通量筛选和单颗粒水平探测的新技术。

研究工作得到国家自然科学基金委“创新研究群体”项目等的资助。

“飞秒光物理和介观光学”研究群体发表的论文获中国物理学会“最有影响论文奖”一等奖

2012年9月中国物理学会秋季年会期间，中国物理学会举行2012年度“最有影响论文奖”颁奖仪式。2000—2008年期间在中国物理B发表的文章共有11篇入选，其中10篇文章获得一等奖，1篇文章获得特等奖。 “介观光学和飞秒光物理”研究群体研究生张海汐，古英副教授和龚旗煌教授2008年在中国物理B发表的论文“基于表面等离激元的可见近红外可调金纳米球壳链波导”荣获一等奖。

此项工作基于表面等离激元共振的近场耦合原理，用FDTD方法设计了一种浸没在硅基底上的金纳米球壳链波导。通过改变球壳厚度，传输频率可以在一个比较宽的范围内进行调节(660nm-900nm波段)。分析波导稳态电场分布，发现这种波导的衰减范围为5.948dB/1000nm-12.83dB/1000nm。金纳米球壳链波导优越的调谐性和传输性主要归因于其特有的中空结构。由于这种球壳链波导在实验室中是可以制备出来的，并且有一定的实用价值，工作受到了国内外同行的关注并被多次引用。

“飞秒光物理和介观光学”创新研究群体在介观光学研究中继续获得重要进展

继本月在一个非对称T型狭缝结构单元中观察到表面等离激元类电磁感应透明现象之后，“飞秒光物理和介观光学”创新研究群体龚旗煌教授、古英副教授和研究生发现了在表面等离激元结构诱导的亚波长尺度各向异性Purcell系数下的原子自发辐射谱线的变窄。论文于2012年4月18日发表在重要刊物Nano Letters（Ying Gu, Luojia Wang, Pan Ren, Junxiang Zhang, Tiancai Zhang, Olivier J. F. Martin, and Qihuang Gong, Surface-Plasmon-Induced Modification on the Spontaneous Emission Spectrum via Subwavelength-Confined Anisotropic Purcell Factor, http://dx.doi.org/10.1021/nl300655n）。本工作合作者还包括山西大学和瑞士EPFL的研究人员。

纳米技术的发展使得在纳米尺度上光和物质的相互作用研究成为焦点，并可能用于解决目前信息科技中器件的小型化问题。近年来，由纳米金属结构内部的自由电子的集体振荡模式而形成的表面等离激元受到关注。本工作利用纳米金属结构的表面等离激元诱导的各向异性的Purcell系数和量子干涉原理的结合，提出了各向异性Purcell系数下四能级原子中自发辐射谱线线宽的控制机理。作为原理的证实及其在表面等离激元结构中的应用，发现了限制在亚波长尺度内的表面等离激元结构诱导的各向异性Purcell系数导致的纳米金属线附近的谱线变窄、周期性纳米金属结构中的谱线由窄到宽的线宽“脉动”（下图）、以及共振的纳米金属结构中的谱线线宽剧烈变化。这种纳米金属结构和量子的联合体系将会在有源、超紧凑的纳米器件中有一定的应用。

表面等离激元周期性结构在纳米尺度上对原子自发辐射光谱线宽的周期性调制

审稿人指出本研究工作“目前正处在一个流行的活跃的研究方向上（This is a popular and active research direction at this moment.）”，并且“架起了量子光学和拥有纳米结构的表面等离激元光学的桥梁（The paper bridges the fields of quantum optics and plasmonics that is useful for the field of nanostructures.）”。

研究工作得到国家自然科学基金委“创新研究群体”项目、基金委重大研究计划“培育”项目、科技部973项目和介观物理国家重点实验室自主课题等的资助。