量子化的表面等离激元与相干原子系综的相互作用研究

高效的耦合是单量子态产生的重要因素，表面等离激元是限制性好的、非辐射的电磁波，可以实现量子的表面等离激元和单光子间的强耦合，有望克服光子间相互作用弱、实现量子操控困难的弱点。通过将光场压缩在纳米尺度，允许在纳米尺度上研究表面等离激元诱导的各向异性真空中光与物质相互作用。本项目将要研究量子化的表面等离激元及其与表面等离激元诱导的各向异性真空中原子系综的量子相干性质。主要内容包括：表面等离激元诱导的各向异性真空中偶极子弛豫系数以及量子相干性质的纳米尺度上的调控；表面等离激元诱导的各向异性真空中电磁感应透明、慢光速、量子开关和量子非线性效应；量子化的表面等离激元在自发辐射、量子存储、纠缠等方面的应用。一方面希望得到新奇的量子光学效应，另一方面研究单量子态间的相互作用以及在信息科学中的应用。

表面等离激元具有超小的模式体积和很强的近场增益，可以用来实现纳米尺度上的光与物质相互作用。将表面等离激元与量子体系结合，为我们在纳米尺度实现量子光学现象提供了可能性。我们在表面等离激元和量子体系的弱耦合和中等强度耦合方面完成了三个系列的工作，文章发表在Nano Lett., Sci.Rep., Phys. Rev.B, Appl. Phys. Lett., Plasmonics和《中国科学》等相关期刊,共完成9篇SCI论文和一篇核心期刊综述，在国际国内会议上数10次做邀请报告，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。三个系列工作如下：.1. 表面等离激元诱导的各向异性珀塞尔系数下的量子相干性质及其单光子发射。.预言了表面等离激元诱导的亚波长尺度各向异性珀塞尔系数下的自发辐射谱线的变窄、原子布居数的内禀量子拍频以及在表面等离激元结构中纳米尺度的实现；用精心设计的共振表面等离激元纳腔，发现了在纳米尺度上偏振、线宽可控、双囚禁的电磁感应透明谱；研究了在纳米金属结构附近铯原子D1线的克尔非线性增强。联合体系将会在有源、超紧凑的纳米器件和量子逻辑器件中有一定的应用。.另外，结合间隙表面等离激元中超高光子自发辐射速率和低损耗的纳米光纤中的高效传导，提出了在金属纳米棒-纳米膜与介质光纤结合的结构中实现有效的单光子发射与纳米尺度的方向性传导，对于基于金属的腔量子电动力学，芯片上的亮单光子源和表面等离激元纳米激光器都有重要影响。.2.中等耦合强度下杂化的表面等离激元-量子体系的量子相干性质.表面等离激元的近场效应能够使得光和量子体系在深亚波长尺度内产生强的、非线性的相互作用。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。杂化体系在超紧凑可调量子点激光以及量子逻辑门方面有潜在的应用。.3.表面等离激元波导研究.发现了各项异性介质中表面等离激元的模式重组和交换以及准传播模式，介质的各向异性对表面等离激元模式的影响，柱状表面等离激元波导中的准传播模式和径向振荡激元模式，以及低损耗的长程杂化表面等离激元模式。设计了基于准传播表面等离激元的位置可变的宽带纳米尺寸路由器,以及基于径向振荡表面等离激元的纳米激光器。