北理工在拓?fù)浼す夂颓涣孔与妱?dòng)力學(xué)研究方面取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-07-07 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組同中科院物理所許秀來(lái)研究員課題組以及半導(dǎo)體所牛智川研究員課題組合作,，在拓?fù)浼す夂颓涣孔与妱?dòng)力學(xué)研究方面取得新進(jìn)展,。他們基于Wannier類(lèi)型的零維拓?fù)浣菓B(tài)，設(shè)計(jì)并制備出了具有高品質(zhì)因子和小模式體積的二維拓?fù)涔庾泳w微腔,，觀測(cè)到了基于拓?fù)浣菓B(tài)的低閾值激光,，并證實(shí)了單量子點(diǎn)與拓?fù)湮⑶蝗躐詈系腜urcell效應(yīng)。相關(guān)結(jié)果分別發(fā)表在近期的Light: Science & Applications及Laser & Photonics Reviews上,。
拓?fù)鋵W(xué)關(guān)注的是物體在連續(xù)形變下所保持的全局不變的性質(zhì),。將拓?fù)鋵W(xué)的思想引入到光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)魯棒性的光場(chǎng)調(diào)控具有重要的意義,，如實(shí)現(xiàn)背散射免疫的電磁波傳輸?shù)?。最近，以色列海法研究所的研究人員及其合作者利用拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊界態(tài)構(gòu)造了閉合環(huán)形腔,，并利用該環(huán)形腔實(shí)現(xiàn)了激光效應(yīng),，即所謂的拓?fù)浼す?Science 359, eaar4003; eaar4005 (2018))。相比于傳統(tǒng)激光器,，基于拓?fù)溥吘墤B(tài)的激光器在外界無(wú)序擾動(dòng)的情況下,，具有能量損耗低，激光發(fā)射效率高等優(yōu)勢(shì),。然而,，目前所設(shè)計(jì)的拓?fù)浼す馄鞒叽巛^大，閾值高,，通常需要幾毫瓦的泵浦才能產(chǎn)生激光效應(yīng),。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低閾值的納腔激光，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效可集成的拓?fù)涔庠淳哂兄匾囊饬x,。
另一方面,，最近的理論和實(shí)驗(yàn)證明，在高階拓?fù)浣^緣體中存在零維拓?fù)浣菓B(tài),。基于Wannier類(lèi)型的零維拓?fù)浣菓B(tài),，我們理論設(shè)計(jì)出了一種二維拓?fù)涔庾泳w微腔,，并優(yōu)化了其品質(zhì)因子。進(jìn)一步我們理論證明，將所設(shè)計(jì)的拓?fù)湮⑶缓虸nGaAs量子點(diǎn)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)低閾值的拓?fù)浼{腔激光,。實(shí)驗(yàn)上,，我們?cè)诤胁煌芏鹊腎nGaAs量子點(diǎn)樣品上制備了不同參數(shù)的拓?fù)湮⑶唬⒂^測(cè)到了激射現(xiàn)象,。其激光閾值僅為1個(gè)微瓦,，比目前利用拓?fù)溥吔鐟B(tài)實(shí)現(xiàn)的拓?fù)浼す庖∪齻€(gè)數(shù)量級(jí)左右。這種拓?fù)浼す獾母咝阅軄?lái)源于拓?fù)浣菓B(tài)的高品質(zhì)因子和小的模式體積,，它將拓?fù)涔鈱W(xué)的應(yīng)用縮小到納米尺度,，顯示了這種拓?fù)涔庾泳w微腔在拓?fù)浼{米光學(xué)器件上的應(yīng)用前景。相關(guān)結(jié)果在近期Light: Science & Applications上發(fā)表,。北京理工大學(xué)課題組負(fù)責(zé)相關(guān)理論方面的內(nèi)容,，實(shí)驗(yàn)部分由中科院物理所和半導(dǎo)體所課題組完成。北京理工大學(xué)張蔚暄博士和中科院物理所博士生謝昕為共同第一作者,。北京理工大學(xué)張向東教授,、中科院物理所許秀來(lái)研究員以及半導(dǎo)體所牛智川研究員為共同通訊作者。
進(jìn)一步,，我們?cè)诘忘c(diǎn)密度的樣品上,，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度使單個(gè)量子點(diǎn)與拓?fù)浣菓B(tài)共振，觀測(cè)到了量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度約4倍的增強(qiáng),。同時(shí)測(cè)量了共振與非共振狀態(tài)下量子點(diǎn)的熒光壽命,，觀測(cè)到了共振狀態(tài)下自發(fā)輻射速率的增強(qiáng)，從而證實(shí)了單量子點(diǎn)與拓?fù)湮⑶蝗躐詈系腜urcell效應(yīng),。這是首次利用拓?fù)湮⑶谎芯壳涣孔与妱?dòng)力學(xué),，為之后拓?fù)淞孔庸鈱W(xué)的研究打下了基礎(chǔ)。同時(shí)由于這種拓?fù)涔庾泳w微腔易于集成,，它對(duì)未來(lái)拓?fù)涔鈱W(xué)在量子信息處理及拓?fù)涔鈱W(xué)器件等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義,。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期Laser & Photonics Reviews上。中科院物理所博士生謝昕和北京理工大學(xué)張蔚暄博士為共同第一作者,。
這些工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目,、中科院B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng),、中科院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目以及中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)的支持。
圖（1）理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)制備的具有零維拓?fù)浣菓B(tài)二維光子晶體微腔
圖（2）（a,b）拓?fù)浼す?。拓?fù)浣菓B(tài)熒光強(qiáng)度（a）和線寬（b）隨激發(fā)功率的變化,。閾值約為1μW。（c,d）單個(gè)量子點(diǎn)與拓?fù)浣菓B(tài)的弱耦合,。(c)不同溫度下的熒光光譜,。當(dāng)量子點(diǎn)（QD）與腔共振時(shí),，熒光強(qiáng)度增強(qiáng)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(shí)的衰減速率約為非共振時(shí)的1.3倍
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https://www.nature.com/articles/s41377-020-00352-1
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.201900425
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