《片上集成纳米能源器件——纳米光学开关控制量子发射器选择性激发》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2020-09-27
  • 集成纳米光/热器件的出现和发展为微纳尺度能量输运、近场热辐射控制、先进能源技术等提供了新的可能。亚波长的表面等离激元微纳结构可以将光或热辐射波压缩在纳米尺度空间,从而极大增强了光和物质的相互作用,提升了近场能量的传输效率。量子发射器是量子通信、量子计算等领域中的核心器件,利用微纳光学结构对光的灵活调控性能将纳米光子芯片与量子发射器进行集成则可以在微纳尺度对含能器件进行主动调控,同时为复杂多功能的集成量子光学芯片的开发提供新的思路。
    自旋-轨道耦合最初是凝聚态物理中描述电子动态的一个基本效应,近些年有研究人员提出光子的自旋-轨道耦合效应,特别是在纳米尺度,由于表面等离激元的出现能够进一步增强该耦合效应。已有的研究发现通过设计球形等金属纳米结构能够在红外波段实现光子轨迹的弯曲和入射光左右旋圆偏振的对应关联。然而依然缺乏在可见光波段实现将不同偏振光定向耦合的特殊结构,同时如何将量子发射器集成在相应的纳米光学环路中也是需要解决的技术难题。

    上海交通大学赵长颖教授课题组和合作者基于光子的自旋-轨道耦合设计了片上集成的纳米能源器件:可以在复合微纳系统中对两个相距10 μm的量子发射器进行选择性激发。研究人员基于介电加载的表面等离激元结构设计了一个适用于532 nm波长的耦合器,该耦合器可以定向地将左、右旋的圆偏振入射光分别耦合进入相应的波导支路,理论和实验证实两侧强度对比可以达到30倍以上。同时,介电加载的复合波导结构使得耦合的表面等离激元具有较长的传输距离。更进一步地,由于该结构自上而下的加工过程使精准集成量子发射器(含氮空位中心的纳米金刚石)成为可能,两个相距10 μm的量子发射器被精准地集成在距离波导两支路距离末端2 μm处,实验测试证实了左右旋的入射光对量子发射器的选择性激发和控制。该设计起到纳米光学开关的作用,对于将来的微纳热辐射系统、纳米光学芯片有着重要的应用价值。
    相关论文以”Spin–Orbit Controlled Excitation of Quantum Emitters in Hybrid Plasmonic Nanocircuits”为题发表在Advanced Optical Materials上(DOI: 10.1002/adom.202000854),上海交通大学博士生阚银辉为论文第一作者,赵长颖教授为论文通讯作者。

相关报告
  • 《突破 | 量子通信新突破:纳米级圆偏振单光子流发射器》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2023-10-11
    • 一项来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的新研究表明,利用二维材料堆叠的创新纳米级器件,可以在不需要外加磁场的情况下产生和控制圆偏振的单光子流。这一技术的突破有望推动量子通信领域的进一步发展。相关研究成果已发表于Nature Materials。 开创性的实验 迄今为止,要产生圆偏振单光子流通常需要将量子发射器与复杂的纳米级光子或电子器件相耦合,或者需要在发射器周围应用大型超导磁体产生高磁场。这使得实现这一目标变得非常复杂和昂贵。 然而,在这项新的研究中,由物理学家Han Htoon领导的团队采用了一种全新的方法。他们将单分子厚的半导体材料二硒化钨(WSe2)层叠加在磁性晶体三硫化镍磷(NiPS3)的薄层之上。然后,研究人员在这一异质结构堆叠上制造了仅有400纳米宽度的压痕。 实验成果 这一方法的核心是通过压痕在材料中产生势能的凹陷,将电子空穴对(激子)限制在WSe2层内。这些激子能够在激光激发下发射单光子流。此外,压痕还会破坏底层NiPS3的磁性,产生一个指向异质结构之外的局部磁矩。这种磁矩和激子的“邻近效应”结合起来,创造了圆偏振光子流。 此实验的难点在于要在NiPS3这种反铁磁半导体中创造圆偏振光子流并不容易。这是因为NiPS3中的镍离子的自旋通常相互抵消,导致磁矩几乎为零。为了克服这一问题,研究员人员使用原子力显微镜的尖端在堆叠层中制备精密的纳米级的压痕,从而得到了最高效的圆偏振单光子流。 潜在应用 这一突破具有重大潜力,因为信息可以在光子的偏振状态中进行编码。因此,这一技术可能应用于量子通信,包括量子密码学和量子计算。此外,研究人员还计划寻找最佳方法,通过光学、电学或微波手段来调制单光子流的圆偏振度,为量子通信领域的未来发展打开了崭新的可能性。
  • 《实时形成和感应光学发射器》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2023-05-17
    • 为了寻求实现量子网络的新技术,哈佛大学的研究人员开发了一种新的基于激光的策略,用于制造单原子、近表面材料缺陷,可用于形成量子计算的最基本单元量子位。该团队还发现了一种实时方法,用于测量和表征纳米级空腔内光学发射器的形成。 哈佛大学研究人员在Nature Materials上报道了这一进展,可以更好地控制量子位输出的时间和强度。 “这些本质上是‘有缺陷’的材料;在原本完美的晶体结构中没有原子或空位,”该论文的作者Hu说。“空位有自己的电子态,有一定的自旋,有可能发射特定波长的光子。” 这些缺陷和它们发出的光的波长有时被称为色心,因为它们可以给钻石和其他晶体带来美丽的颜色。但在折射、控制或操纵光的光子材料中的纳米级空腔内,这些缺陷可以像信息的光学发射器一样发挥作用。 该论文的共同第一作者Aaron Day表示:“我们的团队对这些缺陷的形成以及它们如何在量子网络中表现为量子位非常感兴趣。通过纠缠将缺陷阵列耦合到纳米光子腔中,可以传输量子信息。” 然而,到目前为止,还没有办法在不破坏材料晶体结构其余部分的情况下完全控制光学发射器在纳米级空腔中的确切位置。 通常,在这种比头发宽度小100倍的空腔内创建发射器的过程需要使用离子或带隙以下的激光器破坏材料的晶体结构。(带隙是指激发材料电子使其能够自由传导电流所需的最小能量。)但大多数实验室都没有离子注入设备。Hu说,这两种传统技术都是对动能的“蛮力”使用,效率低下,难以控制,更像是喷砂而不是小心钻孔。 “为了做我们想做的事情,我们知道我们需要开发一些非常精确的仪器,”Hu说。 该团队将他们的解决方案比作手写笔和模板,使用激光(手写笔进行书写)和空腔(书写的模板)来形成和表征空位的形成。Day说:“我们想使用带隙以上的光脉冲来实现这一点”——比带隙以下的激光器含有更多的光子能量——“以更有效地将能量从激光‘触笔’转移到材料‘模板’。”。 首先,Day and Dietz在一个干净的房间里用商业级碳化硅制造了纳米光子腔器件,这是一项耗时且艰苦的工作。然后,他们进行了实验,试图在空腔内的确切位置创建光学发射器。 Day说:“一开始,我们的激光脉冲基本上是在炸毁我们的空腔。”这一结果远非理想。“我们需要大幅减少激光的能量。” 通过反复试验,他们确定了创建所需发射器需要多少能量和多少能量,同时保留空腔的其余部分而不引起“爆炸”。他们还在系统中内置了一个额外的“读出”激光器,使他们能够评估空腔在被缺陷形成激光器脉冲前后发出的共振或光子信号。 Day说:“我们发现的最酷的事情之一是,我们可以监测空腔,做一个激光脉冲来创建光学发射器,然后读取空腔的即时变化。” Dietz说:“我们工作中最令人兴奋的潜力是创造可扩展数量的量子位。一种实时创建和评估发射器的方法可以更容易地选择具有正确特性的空腔,并可靠地将其转化为量子信息的宿主。” Day补充道:“当我们在空腔内形成缺陷时,我们可以使用这些空腔立即告诉我们有关局部材料环境的信息,将其用作‘纳米显微镜’来探测原子缺陷的特征。”。“将这种新型激光手写笔与使用腔谐振为我们提供实时反馈的模板相结合,使我们能够无缝地编写和改进设备。这两种工具加在一起比单独使用更强大。”