中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
L02组供稿
第53期
2020年07月01日
二维拓扑光子晶体微腔取得新进展

  tuopuguangzixuezaijinshijiniandedaoleguangfandeguanzhujiyanjiu,youqishizaituopubianjietaideyingyongyanjiushangqudelezhongyaodejinzhan,lirudanxiangchuanshu、tuopujiguangdeng。chulebianjietaiwai,zuijinguoneiwaihenduoketizutichuzaigaojietuopujueyuantizhongcunzailingweituopujiaotai,bingqieyijingzaiduozhongtixizhongshixian,baokuoerweideguangzijingtijiegou。zheizhonglingweidegaojietuoputaiweishejijuyougaopinzhiyinzidetuopuguangxueweiqiangtigongleyigexindepingtai。tuopuguangxueweiqiangbujinjuyougaopinzhiyinzi、dimoshitiji,erqieqimoshishoutuopubaohu,yinciduitadeyanjiujianghuicujintuopuguangxuezaiqiangliangzidiandonglixue、liangzixinxichulijixinxingguangxueqijiandengfangmiandeyingyong。

  jinri,zhongguokexueyuanwuliyanjiusuo/beijingningjutaiwuliguojiayanjiuzhongxinguangwulizhongdianshiyanshixuxiulaiyanjiuyuanketizu,jinkuijuanyanjiuyuanyijiwangcanyanjiuyuanyubeiligongzhangxiangdongjiaoshou,zhongkeyuanbandaotisuoniuzhichuanyanjiuyuan、nihaiqiaoyanjiuyuanhezuoshejibingzhibeilejiyuerjietuopujiaotaideerweituopuguangzijingtiweiqiang,tongguoyuliangzidianjicheng,zaierweituopuguangzijingtiweiqiangzhongshoucishixianlediyuzhijiguangjiqiyuliangzidianruoouhedepurcellxiaoying。zhongkeyuanwulisuoxiexinhebeijingligongdaxuezhangyuxuanweigongtongdiyizuozhe。

  在二维光学体系中,Wannier类型的零维拓扑角态可以由非平庸的边界偶极子极化引入,它可以通过结合两种具有相同能带和不同拓扑相位的光子晶体实现。北京理工大学张蔚暄博士和张向东教授基于这种Wannier类型的零维拓扑角态设计了一种二维拓扑光子晶体微腔,并优化了这种微腔的品质因子,如图1所示。这种二维拓扑光子晶体微腔具有高品质因子和低模式体积,能提供很强的光束缚能力,可以大大提高光与物质的相互作用,因此可用来研究腔量子电动力学及实现低阈值激光等光学器件。中科院物理所许秀来课题组及合作者,在含有不同密度的InGaAs量子点样品上制备了不同参数的拓扑微腔,并研究了它们的光学特性,如图2所示。在高点密度的样品上,他们观测到了基于拓扑角态的低阈值激光,如图3(a)(b)所示,阈值约为1μW,这比目前利用拓扑边界态实现的拓扑激光要小三个数量级左右。这种拓扑激光的高性能来源于拓扑角态的高品质因子和低模式体积,它将拓扑光学的应用缩小到纳米尺度,证明了这种拓扑光子晶体微腔在拓扑纳米光学器件上的应用前景。另一方面,在低点密度的样品上,通过调节温度使单个量子点与拓扑角态共振,观测到了量子点荧光强度约4倍的增强,然后进一步测量了共振与非共振状态下量子点的荧光寿命,观测到了共振状态下自发辐射速率的增强,从而证实了单量子点与拓扑微腔弱耦合的Purcell效应,如图3(c)(d)所示。这是首次利用拓扑微腔研究腔量子电动力学,为之后拓扑量子光学界面的研究打下了基础。同时由于这种拓扑光子晶体微腔易于集成,它对未来拓扑光学在量子信息处理及拓扑光学器件等领域的发展具有重要意义。相关结果分别发表在近期的Light: Science & ApplicationsLaser & Photonics Reviews杂志上。

  gaigongzuodedaoleguojiazirankexuejijin(pizhunhao: 11934019, 11721404, 51761145104, 61675228, he11874419),guojiazhongdianyanfajihua(pizhunhao: 2017yfa0303800 he2018yfa0306101),guangdongshengzhongdianyanfaxiangmu(pizhunhao: 2018b030329001),zhongkeyuanbleixiandaozhuanxiang(zhuanxiangbianhao: xdb28000000),zhongkeyuankeyanyiqishebeiyanzhixiangmu(xiangmubianhao: yjkyyq20180036),zhongkeyuanchuangxinjiaochatuanduidezhichi。

满堂彩tu1.(a)tuopuguangzijingtiweiqiangshiyitu。(b)tuopuguangzijingtidenengdaijiegoutu。(c)lingweituopujiaotaidedianchangfenbu。(d)tuopujiaotaipinzhiyinzijipinlvsuig(liangzhongguangzijingtijiegouzhijiandejuli,ruchatusuoshi)debianhua。

tu2.(a)gongjujiaoshiyanzhuangzhitu。(b)butongweizhideyingguangguangpu。(c)laiziyubutonggdeweiqiangdeguangpu。(d)hanyoubutongshuliangdequexiandeweiqiangdeyingguangguangpu。

图3. (a,b)拓扑激光。拓扑角态荧光强度(a)和线宽(b)随激发功率的变化。阈值约为1μW 。(c,d)单个量子点与拓扑角态的弱耦合。(c)不同温度下的荧光光谱。当量子点(QD)与腔共振时,荧光强度增强约4倍。(d)共振(红色)与非共振(黑色)状态下的荧光衰减曲线。共振时的衰减速率约为非共振时的1.3倍。

文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41377-020-00352-1
满堂彩 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201900425