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二维拓扑光子晶体微腔研究进展

发布时间:2020-07-07 20:06:36

来源:天津热线

近年来,拓扑光学得到了广泛的关注和研究,特别是在单程传输、拓扑激光等拓扑边界态的应用中。除了边界态外,国内外许多研究小组也提出了高阶拓扑绝缘子中零维拓扑角态的存在,并在包括二维光子晶体结构在内的各种系统中实现。这种零维高阶拓扑结构为高品质光学微腔的设计提供了一个新的平台。拓扑光学微腔具有高质量因子和低模体积的特点,其模式受拓扑保护。因此,拓扑光学微腔的研究将促进拓扑光学在腔量子电动力学、量子信息处理和新型光学器件中的应用。

最近,中国科学院物理研究所/北京国家凝聚态物理研究中心研究员许秀雷、金桂娟、王灿和中国科学院半导体研究所研究员张向东、中国科学院半导体研究所研究人员牛志川、倪海巧,设计并制作了基于二阶拓扑角态的二维拓扑光子晶体微腔。结合量子点,设计并制作了一种基于二阶拓扑角态的二维拓扑光子晶体微腔。在二维拓扑光子晶体微腔中实现了低阈值激光的Purcell效应及其与量子点的弱耦合。

在二维光学系统中,零维拓扑角状态可以通过非中等边界偶极子极化引入零维拓扑角态,这种状态可以通过将两种光子晶体结合在一起,在同一波段和不同的拓扑相位上实现。基于万尼尔型的零维拓扑角状态,研究人员设计了二维拓扑光子晶体微腔,并优化了微腔的质量因子,如图1所示。该二维拓扑光子晶体微腔具有高品质因子和低模体积,能提供较强的束流结合能力,能改善光与物质的相互作用,可用于研究腔量子电动力学,实现低阈值激光等光学器件。研究人员在不同密度的InGaAs量子点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观察到一种基于拓扑角态的低阈值激光器。如图所示。3(A)(B),阈值约为1μw,比目前由拓扑边界态实现的阈值小3个数量级。这种拓扑激光器的高性能来源于高品质因子和低模体积的拓扑角状态,从而减少了拓扑光学在纳米尺度上的应用,证明了这种拓扑光子晶体微腔在拓扑纳米光学器件中的应用前景。另一方面,在低密度样品上,通过调节温度使单个量子点与拓扑角态共振,量子点的荧光强度增加了约4倍。进一步测量了量子点在共振态和非共振态下的荧光寿命,观察到共振态中自发辐射速率的增强。如图所示,证实了单量子点与拓扑微腔之间弱耦合的Purcell效应。3(C)(D)。这是首次利用拓扑微腔研究腔量子电动力学,为拓扑量子光学界面的研究奠定了基础。同时,由于拓扑光子晶体微腔易于集成,对未来拓扑光学在量子信息处理和拓扑光学器件中的发展具有重要意义。

相关的研究成果分别发表在光:科学与应用和激光与光子学评论上。物理研究所的谢欣和北京理工大学的张伟轩是本文的第一作者。这项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研究开发计划、广东省重点研发项目、中国科学院战略科技试点项目(b类)、中国科学院科研仪器设备开发项目和中国科学院创新交叉小组的支持。

资料来源:中国科学院物理研究所

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