基于表面等离激元的高效收集和可控的单光子源理论研究

Single photons sources are the most important building blocks in quantum information science. At present, how to generate the high efficiency and controllable single photons on demand is still the frontier of the quantum information processing. Surface Plasmon polaritons (SPPs), originated from the collective oscillations of free electrons in metal, can be used to achieve the high efficiency generation and collection of single photons due to the ultrasmall optical mode volume and ultrahigh optical mode density. Moreover, the Plasmon-quantum hybrid system, which may be used to generate the ultracompact and controllable single photons sources, has attracted great interest. In this project, based on the Plasmon nanostructures, we propose two kinds of protocols : i) we will design various SPP waveguides, such as multilayer one dimensional cylindrical waveguides, complex waveguides with liquid crystals, and metallic-dielectric hybrid waveguides etc, to increase the Purcell factors and the coupling between the emission photons and SPP, which can be used to realize the directional, tunable, and long-range propagation high efficiency collection single photons sources; ii) we will investigate the mechanism of various plasmon-quantum hybrid systems to realize the controllable single photons sources by changing the parameters of the hybrid system.

单光子源是量子信息科学中最重要的基础构件。如何产生出按需所取的、收集效率高并可控的单光子源，是目前量子信息研究中的前沿问题。起源于金属中自由电子的集体振荡的表面等离激元，具有超小的光学模式体积和超高的光学模式密度，可以达到高效产生和收集单光子的效果。另外，纳米金属颗粒和量子点的联合体系，由于其超紧凑的结构和产生的单光子源的可调控性而受到关注。在本项目中，我们提出了两套基于表面等离激元产生单光子源的理论方案：1）设计各种表面等离激元波导结构，如多层一维柱形波导、含有液晶的复合波导和各种杂化波导等，增强量子体系的Purcell系数以及辐射出的单光子与表面等离激元的耦合，实现方向性的、可调谐的、长程传输的高效收集的单光子源；2）研究表面等离激元和量子联合体系的相互作用机制，以及其中的各种参数对辐射谱和光子二阶关联的影响，有效调控单光子发射。

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。将表面等离激元与量子体系结合，为我们在纳米尺度实现单光子源提供了可能性。我们在表面等离激元和量子体系的耦合方面完成了五个系列的工作，文章发表在Phys. Rev. Lett.（两篇）, Sci. Rep., Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett., Phys. Rev. A, Photonics Research等相关期刊,共完成14篇SCI论文和一篇核心期刊综述，在国际国内会议上做邀请报告10多次，并和国内外知名学者多次互访和交流合作，圆满完成课题任务。完成了五个系列工作: .1）基于表面等离激元的高效单光子发射和收集。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，理论上在金属纳米棒-纳米膜（棒）结构中提出了有效的单光子发射与一维纳米尺度的传导。利用液晶调控表面等离激元的原理，实现了主动、连续、可逆的调控单光子发射过程。.2）杂化的表面等离激元和量子体系的中等耦合。在量子点-金属纳米颗粒杂化体系中发现了暗表面等离激元诱导的无布居数反转增益，表面等离激元辅助的量子相干效应裁剪Fano线型，利用表面等离激元多模腔相干调控体系散射光的统计性质。提出将两个量子点与金属球共同的局域表面等离激元模式相互作用，从而实现纠缠的增强。.3）基于表面等离激元的量子干涉效应。用一种经过精心设计的共振表面等离激元纳米腔，发现了在纳米尺度上偏振、线宽可控、双囚禁的EIT谱。从理论上提出了基于各向异性珀塞尔系数，在双Λ型四能级和三能级Λ型原子系统中利用原子自发诱导相干效应（SGC）极大增强克尔非线性的机制。.4）倏逝电磁真空下的强耦合效应。提出了倏逝电磁真空的概念，在此基础上，通过精心的模式设计，一维倏逝波作为电磁背景，增强了表面等离激元-量子发射体可逆相互作用，得到了原子电偶极距范围内的强耦合效应，如拉比劈裂，利用倏逝波的亚波长局域的性质，还得到了高效的荧光收集。.5）亚波长尺度的中性原子囚禁。理论上提出了一个表面等离激元纳米孔阵列结构，通过近场相互作用实现对中性铷(87Rb)原子的蓝失谐稳定囚禁。