我國科研人員在二維拓撲光子晶體微腔研究中獲得進展
近年來，拓撲光子學(xué)得到廣泛關(guān)注及研究，尤其在拓撲邊界態(tài)的應(yīng)用研究上取得了進展，如單向傳輸、拓撲激光等。除了邊界態(tài)外，國內(nèi)外很多課題組提出在高階拓撲絕緣體中存在零維拓撲角態(tài)，并已在多種體系中實現(xiàn)，包括二維的光子晶體結(jié)構(gòu)。這種零維的高階拓撲態(tài)為設(shè)計具有高品質(zhì)因子的拓撲光學(xué)微腔提供了新的平臺。拓撲光學(xué)微腔具有高品質(zhì)因子、低模式體積，其模式受拓撲保護，因此對它的研究將促進拓撲光學(xué)在腔量子電動力學(xué)、量子信息處理及新型光學(xué)器件等方面的應(yīng)用。 C\ 3 4R
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近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室研究員許秀來課題組、研究員金奎娟、王燦，與北京理工大學(xué)教授張向東，中科院半導(dǎo)體研究所研究員牛智川、倪海橋合作，設(shè)計并制備了基于二階拓撲角態(tài)的二維拓撲光子晶體微腔，通過與量子點集成，在二維拓撲光子晶體微腔中實現(xiàn)了低閾值激光及其與量子點弱耦合的Purcell效應(yīng)。 m`4N1egCt
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在二維光學(xué)體系中，Wannier類型的零維拓撲角態(tài)可以由非平庸的邊界偶極子極化引入，可以通過結(jié)合兩種具有相同能帶和不同拓撲相位的光子晶體實現(xiàn)。研究人員基于Wannier類型的零維拓撲角態(tài)設(shè)計了一種二維拓撲光子晶體微腔，并優(yōu)化了這種微腔的品質(zhì)因子，如圖1所示。這種二維拓撲光子晶體微腔具有高品質(zhì)因子和低模式體積，能提供很強的光束縛能力，可以提高光與物質(zhì)的相互作用，可用來研究腔量子電動力學(xué)及實現(xiàn)低閾值激光等光學(xué)器件�？蒲腥藛T在含有不同密度的InGaAs量子點樣品上制備了不同參數(shù)的拓撲微腔，并研究其光學(xué)特性，如圖2所示。在高點密度的樣品上，觀測到基于拓撲角態(tài)的低閾值激光，如圖3（a）（b）所示，閾值約為1μW，這比目前利用拓撲邊界態(tài)實現(xiàn)的拓撲激光要小三個數(shù)量級左右。這種拓撲激光的高性能來源于拓撲角態(tài)的高品質(zhì)因子和低模式體積，將拓撲光學(xué)的應(yīng)用縮小到納米尺度，證明了這種拓撲光子晶體微腔在拓撲納米光學(xué)器件上的應(yīng)用前景。另一方面，在低點密度的樣品上，通過調(diào)節(jié)溫度使單個量子點與拓撲角態(tài)共振，觀測到量子點熒光強度約4倍的增強，進一步測量共振與非共振狀態(tài)下量子點的熒光壽命，觀測到共振狀態(tài)下自發(fā)輻射速率的增強，證實了單量子點與拓撲微腔弱耦合的Purcell效應(yīng)，如圖3（c）（d）所示。這是首次利用拓撲微腔研究腔量子電動力學(xué)，為拓撲量子光學(xué)界面的研究打下基礎(chǔ)。同時，由于這種拓撲光子晶體微腔易于集成，對未來拓撲光學(xué)在量子信息處理及拓撲光學(xué)器件等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。 J@rBrKC
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圖1.（a）拓撲光子晶體微腔示意圖。（b）拓撲光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)圖。（c）零維拓撲角態(tài)的電場分布。（d）拓撲角態(tài)品質(zhì)因子及頻率隨g（兩種光子晶體結(jié)構(gòu)之間的距離，如插圖所示）的變化。 iZ( Jw Y
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圖2.（a）共聚焦實驗裝置圖。（b）不同位置的熒光光譜。（c）來自于不同g的微腔的光譜。（d）含有不同數(shù)量的缺陷的微腔的熒光光譜。 !VHw*fL|r
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圖3.（a,b）拓撲激光。拓撲角態(tài)熒光強度（a）和線寬（b）隨激發(fā)功率的變化。閾值約為1μW 。（c,d）單個量子點與拓撲角態(tài)的弱耦合。(c)不同溫度下的熒光光譜。當(dāng)量子點（QD）與腔共振時，熒光強度增強約4倍。（d）共振（紅色）與非共振（黑色）狀態(tài)下的熒光衰減曲線。共振時的衰減速率約為非共振時的1.3倍。
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相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Light: Science & Applications及Laser & Photonics Reviews上。物理所謝昕和北京理工大學(xué)張蔚暄為論文共同第一作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、廣東省重點研發(fā)項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、中科院科研儀器設(shè)備研制項目和中科院創(chuàng)新交叉團隊的支持。 D H.CAV
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論文鏈接：1.https://www.nature.com/articles/s41377-020-00352-1； i3>_E <"9
2.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201900425
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