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【专访】王雪华教授研究团队:在光子-激子强耦合相互作用研究领域取得的重大进展


稿件来源:党委宣传部 科学研究院 | 作者:党委宣传部 科学研究院 | 编辑:郝俊 | 发布日期:2017-12-13 | 阅读次数:


        编者按:本篇报道为“中山大学科研成果系列报道”的第五篇,介绍我校王雪华教授研究团队在光子-激子强耦合相互作用研究领域取得的重大进展。

        由教育部“长江学者”特聘教授、国家杰出青年基金获得者、国家973计划(含重大科学研究计划)项目首席科学家王雪华教授领导的研究团队主要从事新型光学功能材料的设计及其量子光电子器件光学性能的剪裁,纳米光子学,量子光学,固态量子计算,非线性光学等方面的研究。王雪华教授研究团队目前有一名中组部“青年千人”计划入选者,两名副教授(其中一人获广东省自然科学基金杰出青年项目),三名特聘研究员。该团队有光学实验室近200平米,拥有飞秒暗场微腔泵浦探测系统,单光子级荧光动力学测量系统,氦循环制冷的变温微纳光学测量系统(无需液氦制冷变温范围3-350K)等光学测量平台。近5年该团队成员在微纳光子学和量子光学的研究中取得了系列重要研究成果,在JCR一区SCI期刊发表论文15篇,其中包括Nat. Nanotech.1篇, Nat. Commun.3篇, Phys. Rev. Lett.3篇,Light: science &application 1篇,Adv. Funct. Mater.1篇等。
 


实验室部分光学测量系统


实验室成员合影


        近日,记者采访了物理学院王雪华教授团队,并请该团队就光子-激子强耦合相互作用的研究作相关介绍。(相关科研成果发表于物理学顶级刊物Phys. Rev. Lett. 118,237401,2017)。

        记者(以下简称“记”):“光子-激子强耦合相互作用研究”的思路是如何提出的?
        王雪华教授研究团队(以下简称“王”):单辐射子(如原子、分子、激子)与光子的强相互作用不仅是量子光学基本问题的一个理想检验平台,而且在量子器件、光电子集成、超灵敏和精密测量、量子计算与量子通讯等方面有巨大的应用,因此,它一直是国际学术前沿与热点研究领域之一。
        在极低温和高真空的极端条件下,科学家们已在各种固态光学微腔系统中实现了单激子与光子的强耦合相互作用以及量子态的调控。但在常温常压下,单激子与光子的强耦合相互作用(即量子光学极限水平上的光与物质强耦合相互作用)的实现和调控一直是一个巨大的挑战,是该研究领域尝未攻克的世界级难题。
        为攻克这一难题,世界多个研究组为此竞相开展研究:法国里昂第一大学的Bellessa研究组于2004年、美国Rice大学的Halas研究组于2008年、德国Oldenburg大学的Lienau研究组于2013年先后在室温下观测到大量的激子与不同表面等离激元的强相互作用[Phys. Rev. Lett. 93, 036404 (2004)、Nano Lett 8, 3481 (2008)、Nat. Photonics 7, 128 (2013)];直到2015年,瑞典Chalmers 理工大学Shegai研究组才把与表面等离激元强相互作用的激子数降到了80个左右[Phys. Rev. Lett. 114, 157401 (2015)];2016年,英国剑桥大学Baumberg研究组实现了表面等离激元与2.5个激子(统计平均意义上的激子数)的强相互作用[Nature 535, 127 (2016)]。虽然世界上各个课题组都做了很多努力,但是目前为止还没有在室温实现单激子与光子的强耦合相互作用。攻克这个巨大的挑战,就成为我们当初提出这个“光子-激子强耦合相互作用研究”的研究动机。

        记:请谈一谈主要研究成果及其运用价值(或学术影响)?
        王: 我们的主要科学发现就是,经过团队近5年的攻关研究,终于在常温常压下实现了1.38个激子(统计平均意义上的激子数)与单个纳米颗粒表面等离激元的强耦合相互作用,是到目前为此该研究领域国际上的最好研究记录。因此,该工作被审稿人高度评价为 “I believe these results are very great”。
        在研究中,我们首先构建了多激子与单个表面等离激元模式耦合相互作用的全量子理论,给出了简洁的实现强耦合作用的“量子光学极限条件”。依据该理论,研究团队精心设计和制备出方形银包金纳米棒结构,实现了将光子局域在71 nm3的超小模体积内,同时,巧妙地实现了单激子偶联以及小于0.9 nm的超短作用距离的精确控制,最终实现了单个J-aggregate激子与单根纳米方棒之间高达~41.6 meV的耦合作用强度,在室温下成功观测到1-7个激子与单个等离激元纳米方棒的强耦合相互作用。
 


单个等离激元微腔与单激子的强耦合作用


        记:请谈一谈对微纳量子光学发展的体会与展望?
        王:微纳量子光学是微纳光子学与量子光学交叉而成的前沿研究领域,它探索微纳结构中局域光场与量子辐射子的耦合相互作用理论,以及耦合系统的量子光吸收、光辐射和光传播特性。它不仅丰富和发展了局域量子光学理论、甚至有可能因为超小模体积光场和新型空间光场的产生带来量子光学理论新的突破,而且它已显示出在量子计算、量子通讯、超高灵敏探测、生物医学及军事等领域有非常重要的应用。正因为如此,微纳量子光学是目前国际上非常活跃和极具发展前景的研究领域之一。

        记:请介绍一下团队未来的目标?
        王:我们团队的目标是希望在微纳量子光学的理论探索、量子器件及集成量子芯片的研究中取得具有世界领先水平的研究成果。我们主要聚焦于三个研究方向:
        一是超小模体积光场与辐射子的强相互作用。探索强相互作用的调控及其新颖的量子光学现象、比如单光子量级的非线性光学效应。前面我们提到,虽然我们已在统计意义上实现了1.38个激子与光子的强耦合,但离最终实现确定性单激子与表面等离激元强耦合相互作用尚有一步之遥,这“一步之遥”仍是一个巨大的挑战,已成为目前国际上各相关研究组竞相攻克的下一目标,我们也正在为此作进一步的努力,我们希望能成为国际上第一个攻克这一挑战的研究组。
        二是量子光源和量子储存器。按需的单光子源和纠缠光子源,以及长时间的量子相干储存器是量子通讯不可或缺的关键性量子器件,也是目前世界性的难题。我们希望提出新颖的实现方案来取得突破,攻克这一世界性难题。
        三是固态集成量子芯片。集成量子芯片是实现量子计算的基础。多量子比特和量子器件的集成到目前为止一直未能取得突破,各国竞相探索在不同的物理系统中实现多量子比特和量子器件的集成。我们希望利用现有半导体技术的集成优势,研制出集成高的固态量子芯片。

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