近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室和纳光电子前沿科学中心“极端光学创新研究团队”龚旗煌院士和古英教授从理论上证明了拓扑保护下的单光子发射的级联增强和发射光子高效的收集可以在包含共振介电纳米盘的拓扑光子晶体中同时实现(图1)。相关研究成果以“拓扑保护下单光子发射级联增强和高效收集”（Cascade Enhancement and Efficient Collection of Single Photon Emission under Topological Protection）为题，在线发表在《纳米快报》（Nano Letters）。
微纳尺度的单光子源对于片上量子信息处理至关重要。通过腔内光学模式增强自发辐射，即珀塞尔效应，是实现单光子源的基本原理之一。高光子发射率，高收集效率，高量子产率以及对缺陷和扰动的鲁棒性对单光子源的实际应用来说是基本要素。然而目前支持各种各样光学模式的微纳结构还无法同时满足以上要求。此外，这些微腔的特性在制造过程中会受到缺陷和干扰的影响，这进一步限制了它们在高质量单光子源中的应用。拓扑光子学的鲁棒性和抗散射等独特性质为单光子源的发展带来了新的机遇。实现拓扑保护下单光子的高发射率，高收集率和高量子产率仍然是一个未解决的问题。
图1拓扑保护下单光子发射的级联增强和高效收集，在包含共振介电纳米圆盘的拓扑光子晶体中同时被实现。
作者团队将共振的纳米圆盘嵌入到拓扑光子晶体支持的边缘态通道中，提出了如图2（a）所示的复合结构。在这样的复合结构中，可以实现拓扑保护下的单光子发射的级联增强和发射光子高效的收集。纳米圆盘的磁偶极共振可以看作是一个大的等效磁偶极子，这个大的等效磁偶极子和边缘态之间有着大的近场重叠，这源于他们之间相似的旋转特性的磁场(图2(c))。
图2 (a)拓扑光子晶体—共振纳米圆盘复合结构示意图。（b）蜂窝光子晶体结构示意图。(c) 由磁量子发射器（棕色箭头）激发的纳米盘的磁偶极子共振可以等效成大磁偶极子（粉色箭头）。纳米盘和等效磁偶极子周围的流线是磁场线。底部是边缘态的电场分布，白色流线是磁场线。
这就使得复合结构中的单光子的磁发射可以达到级联增强的效果，Purcell 系数可以达到4000以上（图3）。为了定量描述复合结构中的增强效果，作者定义级联增强因子。复合系统可以实现比单独的纳米圆盘或拓扑光子晶体更强的发射增强，并具有级联效应。这里级联增强因子可以达到0.53。
同时，发射的光子可以被有效引导在边缘态通道中传播，由于边缘态的鲁棒性，实现了超过90%的收集效率（图3）。介质结构的低损耗和拓扑模式的抗散射特性使得量子产率几乎等于收集效率，也就是说，几乎所有的发射光子都可以用于片上光子器件。
图3 (a) 裸纳米圆盘磁偶极共振的电场图，白色流线表示磁场线。(b)上图：复合结构中边缘态的电场图，下图：边缘态的电场图, 白色流线表示磁场线。（d）裸纳米圆盘，裸拓扑光子晶体，复合结构中总的Purcell 系数，插图是复合结构中，沿着边缘态传播部分的Purcell 系数。
该研究提出了拓扑保护下单光子发射级联增强和发射光子高效收集的机制，这将为超亮稳定的片上单光子源提供实际应用，也为拓扑结构中腔量子电动力学的研究提供新的见解。
北京大学物理学院现代光学所2021级博士研究生贾雅利为论文第一作者，古英为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、极端光学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心、科技创新2030重大项目等的支持。
论文原文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03588
供稿：现代光学研究所
编辑：时畅
审核：吕国伟
