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陈学文教授课题组在量子纳米光子学领域取得系列进展
发布时间:2017-12-06

         1121日,纳米学权威期刊《纳米快报》(Nano Letters)在线刊发了物理学院青年千人陈学文教授课题组与其合作者在单颗粒量子点光吸收与辐射研究方面的最新成果:《处于多载流子态的单量子点实时电性分辨、绝对量子效率与吸收截面》(Deciphering Charging Status, Absolute Quantum Efficiency, and Absorption Cross Section of Multicarrier States in Single Colloidal Quantum Dots)。我校为论文第一单位,陈学文教授、浙江大学彭笑刚教授、秦海燕副研究员为论文共同通讯作者,物理学院14级博士生徐威旺为论文共同第一作者。

 

        众所周知,日常生活中的绝大部分光学现象都与物质的光吸收与辐射有关。学界把胶体量子点被称为“人工原子”,其具有宽带光吸收、可调谐的窄带辐射、制备成本低等优点。单颗粒量子点作为光吸收与辐射的基本单元,在制备单光子源、纠缠光子源等非经典光源以及低温下量子调控等方面有重要潜在价值。因此,单量子点可与光芯片完美兼容,成为量子纳米光子学前沿领域的重要系统。然而,单量子点的光吸收与辐射特性远比单原子或单分子等自然系统复杂,因为单量子点可允许的电子/空穴态更多,多载流子态可稳定存在且发生随机切换,所以光吸收与辐射发生随机闪烁。所以,对单量子点吸收与辐射特性的研究是实现量子点相关技术及潜在应用的前提,具有重要的科学意义。陈学文教授课题组与浙江大学彭笑刚、秦海燕团队合作,采用室温下原位单量子点光谱学的实验研究方法,通过对量子点光子辐射的深入统计分析及辐射饱和曲线的测量,结合理论模型,确定了辐射中的量子点的带电状态、测量了电性相关的吸收截面、单激子和双激子的绝对量子效率。

在此之前,国际光子学权威期刊《美国化学会 光子学》(ACS Photonics105日曾刊发了陈教授课题组题为《单量子体作为纳米谐振腔产生明亮相干光辐射的增益介质》(A Single-Emitter Gain Medium for Bright Coherent Radiation from a Plasmonic Nanoresonator)的另一篇论文,青年教师张朴副教授为论文第一作者,陈学文教授为唯一通讯作者。利用局域在纳米空间尺度的光场对单量子辐射体进行调控,研究光与物质的相互作用,是制备光量子功能芯片的基础。传统的相干光源激光器的尺寸会受限于谐振腔的衍射极限。近年来科学家们提出了纳米激光器的设想,产生了一系列的打破衍射极限的相干光源的相关研究报道,但真正的单颗粒三维尺度均为亚波长的激光器并未实现。陈学文教授课题组与俄罗斯列别捷夫物理研究所I. Protsenko研究员、德国马普光学所Sandoghdar教授合作,在理论上证明了单个量子辐射体驱动的明亮相干辐射。他们通过设计光学频段的纳米天线和引入拉曼型双泵浦,克服了泵浦速率和表面等离激元耗散速率失配的困难。经过严格计算演示表面等离激元数的宏观积累和受激辐射,有望得到光子辐射速率100THz的高亮度单辐射体相干纳米光源。结果表明,采用最少的增益介质(仅含单个量子辐射体),能够避免采用大量增益介质所带来的过量产热和能量转移淬灭等问题,具有重要的理论与现实意义。

以上工作均得到了国家自然科学基金、中组部青年千人计划等项目资助。

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