金属/介质多层手征超材料对量子点辐射的调控

Composed from micro/nano structural units, metamaterials possess many novel photon manipulation properties, such as negative refraction, superlensing effects and invisible cloak. Although metamaterials have been widely studied, most reported works up to now are still limited to classical optical properties. There is little investigation on quantum optical properties of metamaterials. In this program, we will design and fabricate metal/dielectric multiplayer chiral metamaterials. Because this kind of metamaterials have strong anisotropy, chirality and hyperbolic dispersion, it can obtain very large wave vector and photonic state density in some specified directions. In experiments, we will combine quantum dots with this metamaterials. Through the coupling effect between optical modes and quantum dots, we can manipulate the emission properties of quantum dots with tuning the spatical dispersion and photonic state density. The distination of this program is to enhance the emission properties of quantum dots and provide theory and experiment basis for the future integrated quantum light source in metamaterials.

由微纳结构单元组成的人工超材料，具有许多自然材料所没有的光学调控特性，例如：负折射，超分辩成像和隐身斗篷等。虽然这些年超材料在国际上被人们广泛研究，但绝大多数报道的工作都还是局限在经典光学范畴，而关于超材料在量子光学方面的应用还是比较少。在本项目中，我们将设计和制备一种金属/介质多层手征超材料，由于这种超材料中光子态具有强各向异性和手征特性，波矢空间中等频面是双曲函数，可在特定方向得到非常大的波矢和光子能态密度，可对量子点的辐射性质产生影响。实验中，我们将单量子点结合在这种超材料表面，利用超材料中光子模式与单量子点之间的耦合效应，通过调控超材料的空间色散和能态密度，来调控单量子点荧光的辐射寿命，辐射方向和辐射偏振。该项目利用超材料提高单量子点的辐射特性，具有很好的应用价值，为未来研制基于多层超材料的集成量子点光源提供理论指导和实验基础。

今天信息技术对人类的生活产生了深刻的影响。信息的载体主要是电子和光子，相比电子而言，光子作为矢量波，具有更多的自由度用于信息处理。目前，大多数光子芯片技术主要是利用单一自由度对光子进行调控。因此，发展多自由度光子芯片，对于提高光子芯片的信息存储容量、信息传递通道、信息调控维度具有重要的意义。本项目主要围绕多自由度调控光子芯片的目标，利用超构材料实现具有功能集成的、多自由度调控光子结构。经过四年的发展，本项目主要取得如下几方面的进展：(1)在变换光学芯片中通过模拟广义相对论引力场，实现了光子的聚焦、自聚焦和共形泰保效应；(2) 在超表面光子芯片中通过自旋霍尔效应实现等离激元全息场的相干调控；(3) 在拓扑光子芯片中通过构造外尔点实现涡旋反射位相。这些结果表明，利用超材料结构在光子芯片上实现多自由度调控完全是可行的。我们的工作为未来多功能集成的光子芯片的发展提供了物理模型和结构。