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间隙表面等离激元增强单光子发射与收集

 北京大学“介观光学与飞秒光物理创新研究群体”古英副教授和龚旗煌院士等通过将分子放入纳米金属棒与纳米金属膜之间的纳米量级的间隙中并与波矢匹配光纤结合,理论实现了有效的单光子发射和纳米尺度一维低损传导,朝着实现芯片单光子源迈出了重要的一步。该研究结果发表在2015年5月15号的《物理评论快报》上。(Efficient Single Photon Emission and Collection Based on Excitation of Gap Surface Plasmons,PRL 114, 193002 (2015))。论文第一作者是二年级博士研究生连航,古英副教授为通讯作者。

图1:量子发射体与纳米棒-纳米金膜间隙表面等离激元体系耦合,并与波矢匹配光纤结合

图2:自发辐射速率加快随着纳米棒尺寸变化

单光子发射在腔量子电动力学、单光子源和基于腔的激光等领域都有基础的研究兴趣。基于“珀塞尔效应”的原理,通过改变电磁场的局域态密度可以增强自发辐射速率。为了实现光学器件芯片化,多种纳米光子学结构被提出来调控光的自发辐射和收集。介质纳米结构的缺点是对光的自发辐射的加快不够强,表面等离激元结构可以极大提高光子发射速率因此被提出来改善这一处境。其中间隙表面等离激元结构因为可以在金属纳米结构的间隙中达到极强的光场局域性,因而成了实现单光子的超快发射的优秀候选者。

  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,他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。他们发现总的光子发射加快和表面等离激元通道的光子衰减速率变快可以达到只有金属纳米膜时的几十倍。特别的,他们利用波矢匹配光纤将表面等离激元通道的单光子导出,在波导中光的衰减速率可以达到真空中的290~770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。

 上述研究得到国家自然科学基金重大研究计划“培育项目”、“创新群体项目”以及科技部“973项目”、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室支持。

 相关链接: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.193002

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