低维半导体光学微腔中的光子-电子态耦合及宏观量子效应研究

本项目研究低维半导体光学微腔中光与物质相互作用的量子力学行为及其在未来光电领域的潜在应用等若干基本物理问题。拟采用综合多维光谱和光学方法，结合深低温、强电场、强磁场等极端外扰条件，对低维ZnO纳米微腔中激子极化激元自发相干的量子行为以及杂质原子、半导体量子点与光学微腔间的耦合效应进行研究。力图澄清低维ZnO微腔中激子极化激元的各种非线性效应及其内在物理机制，阐明杂质原子、半导体量子点与光学微腔相互作用的各种基本量子力学过程，从而为未来基于腔量子电动力学的新型光电器件开发奠定基础。

依据项目任务书的要求，本项目主要致力于研究低维半导体光学微腔中光与物质相互作用的量子力学行为及其在未来光电领域的潜在应用等若干基本物理问题。 项目负责人利用自己在复旦大学建设、发展的多维光谱手段，研究单个小量子体系中电子态、半导体微腔中光与物质相互作用，并实现腔模本征态和激子态、电子态的强耦合，从而产生更多更为丰富的物理效应以及更为广泛的应用。重点聚焦在宽带隙ZnO/GaN纳米线微腔体系和窄带隙InGaAs量子点－微腔复合受限体系中的光子-电子相互作用及其调控问题，开展了具体研究内容，完成了计划任务并取得下述成果：发表相关学术论文（SCI）15余篇，其中包括1篇Physical Review Letters、1 篇PNAS 、1篇Nano Letters、3篇Physical Review B（R）,相关研究成果获国内外同行的广泛关注。.（1）研究激子极化激元的相关非线性效应，如四波混频、光学参量振荡、孤子等。这些非线性效应及其机理研究的成功，将ZnO腔激子极化激元成为室温下有效制备纠缠光子源的理想候选体系之一，Phys.Rev.Lett.108 166401 (2012)。.（2）利用人造周期结构对具有半光、半物质特性的准粒子—激子极化激元进行相干调控，首次 观测到一类全新的激射相变过程—弱激射（weak lasing）现象，揭示了激子极化激元自发相干性建立的物理机制，PNAS 112 (13) E1516(2015)。.（3）搞清声子参与的光学模式和激子耦合的奇异行为以及低温、强磁场下激子极化激元的自旋特性及其动力学过程，为开发基于激子极化激元的新型光电器件找到实验突破口，Phys.Rev.B 91,121301(R)(2015)、Phys.Rev.B 89,201201(R)(2014)。.（4）实现对微腔量子点中激子-光子耦合的有效调控。通过磁场、电场、温度等外界手段实现激子与腔模的强耦合，并从理论上进行相关计算、模拟，揭示量子点中的激子态与微腔光场的耦合机理。对基于腔量子电动力学的新型量子光源（如偏振单光子源和纠缠光子对发射）的应用奠定基础，Nano Lett.,12(7), pp3455（2012）。