GaAs量子阱半导体微腔中腔极化激元的动态行为

GaAs量子阱半导体微腔中, 光子同时与重空穴激子、轻空穴激子耦合形成腔极化激元. 本文采用三谐振子耦合模型, 计算了腔极化激元的三支的色散关系、线宽、有效质量及其群速度; 结果表明, 由于腔极化激元的三支中光子、重空穴激子、轻空穴激子所占的权重随着平面波矢（或入射角度）变化, 腔极化激元三支的线宽、有效质量及其群速度呈现出不同的动态行为.     

半导体微腔中腔模、重空穴激子模和轻空穴激子模耦合

采用传输矩阵方法利用半经典的线性色散模型,计算半导体微腔内同时存在重空穴激子、轻空穴激子时,在不同入射角度下的反射谱,同时,利用三简谐振子耦合模型计算了在不同入射角度下,腔模同时和重空穴激子模、轻空穴激子模耦合所形成的三支腔极化激元的能量,以及腔模、重空穴激子模、轻空穴激子模分别在三支腔极化激元中所占的权重,结果表明随着入射角的增加腔极化激元的高能支和两个低能支之间存在明显的反交叉现象,同时,腔模和重空穴激子模、轻空穴激子模在腔极化激元中所占的权重呈现增加或减小的趋势 关键词： 半导体微腔 腔极化激元 激子     

温度对光学微腔光子激子系统玻色凝聚的影响

建立了光学微腔中光子激子系统的物理模型,确定了光学微腔宽度为常数和可变这两种情况下玻色凝聚时化学势的变化范围和粒子数密度随温度和位置的变化规律.以半导体GaAs光学微腔为例,探讨了温度对玻色凝聚的影响.研究表明:系统出现玻色凝聚时激子化学势的变化范围与材料介电函数、微腔宽度有关,而光子和激子的粒子数密度及总粒子数还与温度有关.玻色凝聚温度理论值与实验值接近.刚出现玻色凝聚时,光子和激子的粒子数密度几乎相等,且局限在r=0的附近;随着温度的降低,光子和激子的粒子数密度都增加,且存在的范围也不断扩大;不论光学微腔宽度是否可变,光子和激子的粒子数密度以及总粒子数都随温度的降低而增大,光子数总是多于激子数.     

二维极化激元学近场研究进展

极化激元学可以实现纳米尺度上的光子操控和光与物质相互作用的调控,已经成为现代物理学中的一个重要分支.与传统贵金属相比,二维范德瓦耳斯原子晶体中极化激元具有更强的局域能力且可实现主观调控.近期,利用扫描式近场光学显微镜在二维体系中观察到了多种类型的极化激元,为今后量子物理和纳米光子学的发展提供了新思路.本文主要介绍通过近场光学手段揭示二维极化激元学的重要进展和实验结果.在介绍近场光学及其成像原理的基础上,总结了二维极化激元学中近场研究进展的几个重要研究方向,包括等离极化激元、声子极化激元、激子极化激元和杂化型极化激元等.最后提出了近场光学今后可能的发展方向.     

ZnO纳米线微腔中的回音壁模激子极化激元及其激射

本刊讯 来自中国科学院上海技术物理研究所的沈学础院士做客第二十一期武汉光电论坛，作了题为ZnO纳米线微腔中的回音壁模激子极化激元及其激射——物理和应用前景的报告。     

静压下半导体微腔内激子与光子行为的研究

由于腔模与激子对压力的依赖关系不同,所以可以选择不同的压力使激子和光场处于不同的耦合状态,从而实现对耦合的调谐。利用这种办法,我们观测到了代表激子与光场强耦合作用的Rabi分裂。由于在我们现有样品结构中压力对激子本征行为的影响很小,与以前报道的温度、电场等调谐方式相比,这种调谐方法不仅可以有效地调谐半导体微腔内激子与腔模的耦合程度,而且能够保持激子的本征性质在整个调谐过程中基本不变。这有助于研究在强耦合过程中激子极化激元的本征性质。将实验结果与压力下激子与腔模耦合理论进行拟合,得出了正确的Rabi分裂值。     

微腔增强发射的半导体量子点单光子源

单光子源是实现量子密匙分配、线性光学量子计算的基本单元。作者回顾了单光子源在量子信息科学发展中的作用,讨论了光子的统计特性,分析了具有类似原子二能级结构的半导体量子点作为单光子发射源的特点,介绍了微腔与二能级系统的耦合以及微腔量子电动力学基本原理。在弱耦合区,Purcell效应导致微腔中量子点激子复合寿命降低,因此可用微腔来改善量子点单光子发射效率。文章总结了近年来在半导体微腔增强量子点单光子发射领域的进展,探讨了分布式布拉格反射微腔、柱状微腔和光子晶体微腔等结构对改善半导体量子点单光子发射和收集效率、光子极化以及光子全同性等方面的作用,并对未来半导体量子点单光子源的发展进行了展望。     

半导体微腔中激子的光学效应

文章基于Fabry-Pérot半导体微腔,阐述了新型元激发--激子极化激元的基本概念和微观描述,讨论了其在光学放大器、光学开关和单光子源方面的潜在应用,概述了对其实现Bose-Einstein凝聚的实验研究,最后对将来的发展做了一个简单的展望.     

II-VI族稀磁半导体微纳结构中的激子磁极化子及其发光

自旋是基本粒子（电子、光子）角动量的内在形式.固体中体现自旋特征的集体电子行为如拓扑绝缘体等是当前凝聚态物理领域关注的焦点,是基态行为.激子作为电子空穴对的激发态且寿命很短,可复合发光,它是否能体现自旋极化主导的行为?对此人们的认识远不如针对基态的电子.激子磁极化子（exciton magnetic polaron,EMP）是由磁性半导体微结构中铁磁自旋耦合态与自由激子相互作用形成的复合元激发,但其研究很有限.本文概述了我们在稀磁半导体微纳米结构中的EMP及其发光动态学光谱、自旋极化激子凝聚态的形成方面取得的一些进展,展望了未来可能在自旋光电子器件、磁控激光、光致磁性等量子技术方面的潜在应用.     

Ⅱ-Ⅵ族稀磁半导体微纳结构中的激子磁极化子及其发光

自旋是基本粒子(电子、光子)角动量的内在形式.固体中体现自旋特征的集体电子行为如拓扑绝缘体等是当前凝聚态物理领域关注的焦点,是基态行为.激子作为电子空穴对的激发态且寿命很短,可复合发光,它是否能体现自旋极化主导的行为?对此人们的认识远不如针对基态的电子.激子磁极化子(exciton magnetic polaron, EMP)是由磁性半导体微结构中铁磁自旋耦合态与自由激子相互作用形成的复合元激发,但其研究很有限.本文概述了我们在稀磁半导体微纳米结构中的EMP及其发光动态学光谱、自旋极化激子凝聚态的形成方面取得的一些进展,展望了未来可能在自旋光电子器件、磁控激光、光致磁性等量子技术方面的潜在应用.     

低维材料极化激元及其耦合特性

极化激元—光与物质中的电子、声子、激子或磁振子等发生强耦合而形成的一种新的集体振荡模式,近年来在纳米光子学领域受到了广泛的关注.低维材料极化激元拥有的高空间压缩比、低损耗、光电可调控等特点使其在微纳光子学器件中有着极高的潜在应用价值,比如石墨烯中波长可调的等离极化激元、六方氮化硼中高质量的双曲声子极化激元、三氧化钼中面内各向异性的拓扑声子极化激元、碳纳米管中的一维拉廷格液体等离极化激元等.这些极化激元相互之间以及极化激元与外场之间还能进一步发生显著的耦合相互作用,产生各种丰富新奇的物理现象,极大地拓展了极化激元的应用前景.本文以几种典型的低维纳米材料中极化激元的耦合特性为例,从表征纳米极化激元的扫描近场光学显微技术出发,首先简单介绍几种典型极化激元的基本性质,然后详细讨论各种极化激元之间以及极化激元与外场的耦合,最后展望极化激元耦合作用的潜在应用.     

基于超表面的Tamm等离激元与激子的强耦合作用

本文研究了由超表面-介质间隔层-分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector, DBR)构成的等离激元微腔结构中的Tamm等离激元及其与激子间的相互作用.利用超表面中的结构参数变化能够调控光在其表面的反射位相这一特性,可以在微腔结构的介质间隔层厚度保持不变时,通过调节超表面的结构参数来调控微腔结构所支持的Tamm等离激元模式的共振位置,从而为Tamm等离激元模式的调控提供更多自由度.相比于传统金属薄膜-介质间隔层-DBR结构,我们发现超表面的引入及其对反射位相的调控可以使超表面-介质间隔层-DBR结构在更小的间隔层厚度下支持共振在相同波长处的Tamm等离激元模式.此外,结合超表面对场的局域特性,可以有效地降低Tamm等离激元模式体积.在此基础上,对比研究了传统的和基于超表面的Tamm等离激元与单层二硫化钨(WS2)的相互作用,发现基于超表面的Tamm等离激元可以产生更强的光子与激子的强耦合作用,获得更大的拉比(Rabi)劈裂.     

微纳光子结构中光子和激子相互作用

微纳光子结构中超强的光场局域给光和物质相互作用带来了新的研究机遇.通过设计光学模式,微纳结构中的光子和激子可以实现可逆或者不可逆的能量交换作用.本文综述了我们近年来在微纳结构,尤其是表面等离激元及其复合结构中光子和激子在强弱耦合区域的系列研究工作,如高效可调谐及方向性的单光子发射,利用电磁真空构造增强光子和激子的耦合等.这些工作为微纳尺度上光和物质作用提供了新的物理内容,在芯片上量子信息过程及可扩展的量子网络构建中有潜在应用.     

二维激子极化激元凝聚中涡旋叠加态稳态及动力学特性研究

利用分步Crank-Nicolson方案的虚时和实时有限差分方法求解耗散系统的Gross-Pitaevskii(GP)方程,研究了二维激子极化激元凝聚(exciton-polariton condensates)体系中正反涡旋叠加态的稳态结构并直观地验证这种稳态结构在半导体微腔旋转下的稳定性和动力学特性.通过虚时和实时演化相结合的方法求解出几种角动量情况下所对应的稳定涡旋叠加态.然后利用实时演化方法研究在半导体微腔旋转的情况下,正反涡旋叠加态的稳定性及其旋转角速率和半导体微腔旋转角速率之间的定量关系.最后研究了单涡旋态在半导体微腔旋转时形成涡旋阵列的动力学过程,并给出了泵浦光宽度和增益项对涡旋阵列结构的影响.研究表明,系统的泵浦,损耗和增益对稳定性和动力学特性有重要影响.     

叠层/转角二维原子晶体结构与极化激元的近场光学表征

极化激元是一种光与物质发生强相互作用形成的准粒子,可以极大地压缩光波长,提供一种突破衍射极限的光调制方式,为纳米光子学、非线性光学、量子光学等相关学科的发展提供了重要支持.范德瓦耳斯二维原子晶体是研究极化激元的理想平台,通过叠层、转角可以为极化激元的调控提供额外的自由度,从而展示出新颖的光学结构和极化激元特性.本文以近场光学为主要研究方法,对近几年出现的叠层及转角二维原子晶体的各种光学结构及极化激元进行综述.综述内容包括叠层石墨烯的畴结构、转角二维原子晶体的莫尔超晶格结构、转角二维拓扑极化激元、转角石墨烯手性等离激元等.最后,对叠层/转角二维原子晶体及其极化激元的未来发展进行展望.     

量子微结构中的Josephson效应

文章为纪念Josephson效应发现50周年而作.文章介绍了当前关于几种量子微结构中Josephson效应的理论研究,涉及Josephson效应的基本物理现象和它在某些热点材料中的独特表现,如单层石墨纳米条带中的0-π转变,二维拓扑绝缘体中的手征性边态超导电流,以及半导体微腔中激子极化激元凝聚体之间的Josephson效应和直流-交流Josephson电流的转变.     

光子角动量在环形金属纳米孔异常透射过程中的作用

在环形凹槽包围环形金属纳米孔的异常透射器件的研究中,环形凹槽可以将携带光子角动量的入射光转化为涡旋表面等离极化激元,这些涡旋表面等离极化激元传向几何中心并与直接照射在环形纳米孔上的光子发生干涉,当相互干涉的光子满足相位匹配条件时,环形纳米孔的透射率得到显著增强.本文利用理论分析和数值计算的方法研究了光子角动量和凹槽半径对环形纳米孔透射过程的影响.我们发现调节环形凹槽的半径和入射光携带的光子角动量可以调节光子在金膜上表面传输时的径向传播相位,进而影响了环形纳米孔附近的干涉电场强度,最终决定了环形纳米孔的透射率,进而可以通过调节凹槽的半径来调节携带不同光子角动量的光束在环形纳米孔的透射率.本文的研究结果对基于涡旋表面等离极化激元的异常透射器件的设计具有重要的指导意义.     

光声互作用模型中的Pancharatnam相位

通过解析求解简单极化激元模型的Pancharatnam相位, 研究了温度、耦合强度、声子与光子频率差、平均光子数等对其演化的影响. 结果表明,Pancharatnam相位随时间振荡,且振荡频率和振荡波形随时间变化,这种变化随着温度升高和耦合强度、声子与光子频率差增加而加大. 系统Pancharatnam相位随时间的演化在平均光子数较小时表现比较有规律,但随着平均光子数的增加,它趋于混沌化. 关键词： 极化激元 Pancharatnam 相位 Mach-Zehnder干涉仪 相干态     

量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射

半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系,并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳,但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应,有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿（QD-cRTD）的光子探测机理,利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大,将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件,光电响应的增益达到10⁷以上,并具备双光子识别能力;同时,由量子点能级的直接吸收,原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面,作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控,在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率,从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度,圆偏度达到90%以上,形成一种光子自旋可控发射的新途径.     

十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性

金属纳米线波导可以将光局域在亚波长尺度内传播, 在纳米光子集成回路方面有着重要的作用. 本文应用有限元方法, 研究了十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性. 结果表明, 不同模式的表面等离极化激元在十字结构三个分支的输出依赖于端面的几何结构参数. 此外, 研究还发现由于不同模式表面等离极化激元叠加, 在十字结构的分支上出现了周期性电场分布.