北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室極端光學創(chuàng)新研究團隊古英教授和龔旗煌教授等在腔量子電動力學和拓撲光子學的交叉研究中取得重要進展：提出了拓撲保護下的邊界態(tài)主導的模式耦合機制，在此基礎上發(fā)現(xiàn)了腔量子電動力學弱耦合體系在拓撲光子晶體中的珀塞爾增強的吸收減少效應，并實現(xiàn)了高光子收集效率。相關研究成果發(fā)表在物理學權威期刊《物理評論快報》上。[“Absorption Reduction of Large Purcell Enhancement Enabled by Topological State-Led Mode Coupling, Physical Review Letters, 126, 023901 (2021) DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.023901]。

拓撲光子晶體的拓撲態(tài)具有光子無散射傳播和免疫缺陷的拓撲保護特點，被越來越多地運用在微納光子學和量子光學器件上，成為重要的光學新興領域。微納尺度的單光子源是片上量子信息處理的重要部分，利用微納光子器件結構的局域場增強來改善單光子自發(fā)輻射是實現(xiàn)單光子源的關鍵原理，但無法避免散射和吸收造成的損耗，且在傳輸中單光子收集效率不高。研究團隊首先提出了由拓撲態(tài)主導的模式耦合的原理，通過精心設計光學模式，將金屬納腔置于一維拓撲光子晶體中(圖1(a))，通過拓撲態(tài)主導模式耦合的機制(圖1(b))，實現(xiàn)了超大的珀塞爾增強，并得到了珀塞爾增強的吸收減少效應(圖1(c, d))。同時，通過利用拓撲邊界態(tài)作為光子傳輸通道，使得非吸收損耗的光子幾乎全部被收集的高光子收集效率(圖1(d))，最大光子收集率達到了79.5%。這種拓撲態(tài)主導模式耦合機制和相應的吸收減少效應，可以拓展到更高維度的光子結構上，對以后的拓撲光子晶體和微納尺度腔量子電動力學的研究產(chǎn)生重要影響。同時，無散射的大珀塞爾增強可以應用在片上量子光源的制備上。

圖1(a) 嵌入金屬納腔的一維拓撲光子晶體示意圖；(b) 拓撲態(tài)主導的模式耦合機制示意圖；(c) 無拓撲光子晶體環(huán)境的金屬納腔中珀塞爾增強；(d) 拓撲保護下的金屬納腔的珀塞爾增強。

北京大學博士生錢祉源是文章第一作者，本科生李智超是第二作者，古英教授為通訊作者。中山大學董建文教授參與合作研究。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委杰出青年基金、量子物質科學協(xié)同創(chuàng)新中心、極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心、納光電子前沿科學中心、廣東省重點研發(fā)計劃等的支持。

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