单光子灵敏检测、精密光谱测量及微纳结构中光子调控

Single-photon detection, precision spectroscopy and the interactions of photons with micro- and nano-structures have received considerable attention in recent years. They are important research subjects of single quantum states, showing potential applications in quantum information, quantum computing, precision measurement and nanophotonics. In our previous studies of these subjects, we have obtained many interesting results. But there remain still interesting problems needed further in-depth study. The main research subjects of this proposal include ultrasensitive single-photon detection with photon-number countable, techniques of precision spectroscopy and measurements of fundamental physical constants, interactions of photons with micro- and nano-structures at single-quantum-system scales, and manipulations of photon emission. In single-photon detection, we will achieve Si MPPC detectors with the highest performance of the same kinds. We will build an ultrasensitive cavity ring-down spectrometer and conduct the measurement of Boltzmann constant with a precision of 10-6, based on which we will explore its application as a measurement standard in the measurements of gas temperature. We will also build a multi-functional measurement system for studying the interactions of a single molecule with a single plasmonic nano-structure. Based on plasmonic structures, we will explore the possibility of surface-plasmon lasing.

单光子探测、精密光谱测量以及光子与微纳结构的相互作用是当前国际学术界关注的重点，也是单量子态研究中的重要内容，在量子信息、量子计算、高精密测量、微纳光子学等领域有重要的应用前景。通过前期的研究，我们已经取得许多有特色和新意的研究结果，但这些方向仍然存在很多有趣的科学问题值得深入研究。本项目的主要研究内容包括：光子数可分辨的高灵敏单光子探测，高精密光谱测量技术及基本物理常数测量，以及在单量子体系水平研究光子与微纳结构的相互作用和调控光子发射行为等。在单光子探测方面，使Si MPPC探测效率达到同类探测的国际最好水平。建立一套高精密、高灵敏的光腔衰荡光谱测量设备，实现10-6精度的玻尔兹曼常数测量，并探索用于气体温度测量的计量标准应用。建立复合多功能观测平台，并实现观测单个表面等离激元纳米结构与单分子相互作用现象。基于表面等离激元结构探索激射的实现可能。

我们拟重点开展单光子探测、高精密光谱测量技术及基本物理常数测量、光子与微纳结构的相互作用，这些研究方向是当前国际学术界关注的重点，在量子信息、量子计算、高精密测量、微纳光子学等领域有重要的应用前景。.本项目在PRL、Adv. Mater.、APL等杂志上发表论文50篇，重要研究结果有：.1、基于间隙表面等离激元的高效单光子发射。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，我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。特别的，利用波矢匹配光纤将表面等离激元通道的单光子导出，在波导中单光子发射率可以达到真空中的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。该研究结果发表在PRL。.2、亚波长共振单元的超大光学截面。光学共振单元可以使得光在亚波长尺度局域，单个光学共振单元最大的光学吸收截面存在极限。为突破这个极限，我们提出了将光学共振单元放在零折射率背景里的方案，可以使得光学截面超过极限值1000倍。这个方案可以适用于任何光学共振单元，如金属等。工作发表在PRL。.3、基于光子和表面等离激元的光纤马赫泽德干涉仪。利用单晶钯金合金纳米线作为等离子激元的波导，我们制备混合了光子和等离子基元的光纤马赫泽德干涉仪。干涉的光谱表现出诸多吸引人的优点，如宽且灵活的可调光谱范围，高达20 dB消光系数的干涉光谱；这种混合的马赫泽德干涉仪对氢气表现出比单根纳米线更高的灵敏度；传感器中使用的钯金合金线长度比已有的在光纤上镀钯的氢气传感器的作用长度小2-3个数量级。该结果发表在Nanoscale。.4、高灵敏光谱探测技术和方法。发展了高精密、高灵敏光腔衰荡光谱（CRDS）技术，并利用高效率的激光冷却技术，实现了对亚稳态惰性气体原子高效率的原子囚禁，还提出了对单原子计数进行标定的实验方法，该方法可应用于极低丰度同位素的测定。基于该方法，我们实现了对小至微升级的样品中低至10-14的放射性Kr-85同位素含量实现了准确测量, 并示范了可利用少量空气即可进行Kr-85和Kr-81测年。该技术在大气科学、核安全、水文和地质等方面具有广泛意义。