表面等离激元特性分析及其在原子囚禁方面的应用

The atom manipulation, guidance is of great significance. It can be used to test the basic physical laws, research new physical state in an extreme conditions and even for the formation of atomic chips on the surface of the substrate. Surface plasmon polaritons (SPPs), which confined in the interface of metal and dielectric, has the characteristics of local field enhancement and subwavelength scale, and it is very important in materials, energy and other fields. Especially, SPPs can breakthrough diffraction limit, which provide great possibility for photonic device miniaturization and integration, and is of great significance to the study of micro-nano-scale optics. In this project, we will discuss the problem of atom trapping based on SPPs, combined with the advantages of surface plasmon and the meaning of atom trapping. The optical properties of various plasmonic structures are analyzed and studied by means of theoretical analysis and numerical simulation. Especially for periodic hole array, metallic grating focusing and hybrid waveguide system. Realizing a new type of atomic trapping target based on a compact, low-power, and easy-to-integrate plasmonic nanostructure. This new atom trapping method, based on surface plasmon, can be used not only in single emitter trappings for integrated quantum information processing, but also for optical tweezers in biology or chemistry control and sensing.

对原子的操控、导引意义重大。它可以用于检验基本物理规律， 研究处于极端条件下的新物态，甚至可以用来在基片表面形成原子芯片。金属与介质界面的表面等离激元具有局域场增强和亚波长尺度等显著特性，在材料、能源等领域有着非常重要的应用。特别是其突破衍射极限的能力，为光子器件的小型化和集成化提供了可能，对研究微纳尺度光学器件具有重要意义。在本项目中我们将结合表面等离激元的优势和原子囚禁的意义，探索基于表面等离激元的原子囚禁的相关问题。主要利用理论分析和数值模拟相结合的方法对多种等离子结构的光学特性进行分析和研究，重点研究基于周期性孔阵列，金属光栅聚焦以及杂化波导系统下的原子囚禁方案。实现一种基于结构简单，入射功率较低且易于集成的等离子体微纳结构的原子囚禁目标。这种基于表面等离激元的原子囚禁方案，不仅可以用于集成量子信息处理中的单极发射囚禁，还可以用作光镊，这在生物、化学调控和传感等方面有着重要的意义。

俘获和冷却中性原子是原子光学中的活跃领域，对实现玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)、测试基本物理定律和更精确的测量基本物理常数等具有重要意义。金属与介质界面的表面等离激元具有显著的场增强和突破衍射极限的能力，这些都使得将表面等离激元的优势和原子囚禁的意义结合起来研究意义非凡。本项目的主要研究内容为基于表面等离激元超材料结构体系，利用其近场散射效应形成的局域电场最小值，作为原子的囚禁中心，从而实现对中性原子的稳定的三维囚禁。具体为首次提出利用手性超材料结构体系实现可调谐的稳定的原子囚禁方案；将囚禁波长(单个蓝失谐圆偏光)设计为表面等离激元结构的共振波长，大大减小了输入光功率；左右旋光变换过程中，囚禁原子(87Rb)的可移动范围达~60 nm，其势能可调范围达0.51N mK(N表示输入光功率，单位为mW)；首次拓展了手性超材料结构在原子囚禁方面的应用，为实验上实现提供了参考。更进一步，设计双层齿轮型手性超材料结构体系使得在囚禁波长处，左右旋光的透射强度差值最大。通过参数优化和数值仿真，得出双层结构具有60度旋转角时，效果最好；囚禁原子(87Rb)的可移动范围达~58 nm，其势能可调范围达1.3N mK；左右旋光不同的相位差时，可精确的调控囚禁原子所在的位置，为后续精确调控原子，研究其在物理测量等方面的意义具有重要重要作用。稳定而精确的中性原子阵列囚禁在原子片上集成，量子多体系统计算等有着非常重要的应用。