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陈学文(青年千人)
发布时间:2015-12-16

 

个人信息

 

    名:
陈学文
 
    称:
教授
电子邮箱:
xuewen_chen@hust.edu.cn
办公地址:
科技楼物理学院
通讯地址:
武汉市珞喻路1037号 华中科技大学物理学院430074

 

个人简历
陈学文,2003年浙江大学混合班(现竺可桢学院)本科毕业,2003 -2008年浙江大学光学专业博士,期间分别在香港大学和香港理工大学各联合培养博士生一年。2008 -2011年在瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)物理化学实验室进行博士后研究,2011-2014年在德国马克斯-普朗克学会光学所(Max-Planck Institute for the Science of Light)和爱尔兰根-纽伦堡大学(Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg)物理系任研究科学家,期间在美国斯坦福大学(Stanford University) Ginzton实验室做访问学者3个月。2014年入选第十批千人计划青年人才优先资助项目,同年起担任华中科技大学物理学院教授,组建介观固体量子光学和先进光谱学研究小组和实验室。
 
教学、研究领域及成果
我们的研究领域融合量子光学、纳米科学和精密光谱学等多个学科,在室温以及极低温条件下开展探测、显微和操控孤立的固体量子系统(例如结晶固体中的掺杂的有机单分子)的性质以及它们与介观物质之间的高效率相互作用的研究。我们的研究理论结合实验,在量子信息科学和低维物质光物理化学等方面具有重要的基础与现实应用意义。我们热忱欢迎勤奋刻苦、具有批判性思维和敢于迎接挑战的同学与年轻老师加盟我们团队。
 
我们已发表的研究成果包括以下几个方面:
1)首次报道单量子系统对大金属纳米结构的巨大反作用效应。我们从损耗介质中的光场量子化开始,建立了严格的光与金属纳米结构和单量子系统相互作用量子理论平台,研究了不同尺度下金属结构与单量子系统的相互作用。我们发现对小金属纳米颗粒,单个量子系统可以使颗粒的吸收增强1000倍,可用作纳米热源;对散射为主的大金属结构例如纳米光频天线,单个量子系统可使该天线在宽带范围内光学隐身,因此单量子系统可作量子调控开关和单光子功率钳制器。这项研究工作发表在Phys.Rev.Lett. 110,153605(2013).
 
2)实验演示了目前世界上收集效率最高、最亮的单光子源。我们首次实验演示了收集效率96%、探测功率达到每秒5千万光子数的单光子源,这是当前世界纪录,成果发表在Nature Photonics 5,166(2011)。这项成果从根本上突破了单光子源长期存在的低收集效率、低亮度的问题,为众多依赖于单光子源技术的应用提供了基本保障,如量子保密通信、光逻辑信息处理、物理量定标和基于光强压缩态的极低噪声量子测量都将受益。在理论上,我们提出采用金属、介质结合的平面光频天线可构建收集效率超过99%、性能稳定、工艺相对简单的单光子源,器件结构适用于任意固态单量子系统,包括单分子、单量子点、单金刚石色心等,并且对辐射源的偶极矩取向没有任何限制。运用这种方案和光脉冲激发,我们可以真正实现触发式的、确定性的、按需的(triggered, deterministic and on-demand)单光子源。我们这项成果发表在Opt. Lett. 36, 3545(2011),发表后成为该杂志连续2月下载量最高(Top Downloads)的10篇文章之一。
3)金属-介质纳米光学天线使单量子系统的自发辐射速率提高104倍,同时量子效率保持在80%左右。这项成果具有重要的科学意义,首先结合成果2超高速自发辐射使获得微瓦级别的单光子源成为可能,这不仅在高效率量子信息处理方面,而且在量子精密测量方面具有重要应用;其次,将自发辐射速率提高104倍使得分子激发态寿命降低到100fs量级,这与分子的振动弛豫时间相仿,因此在光物理化学研究方面具有重要启示,例如可能解决染料分子荧光闪耀与漂白问题,因为分子在激发态将来不及与氧气其他原子发生接触而大大降低荧光漂白的几率;再次,这项成果可使原来不发光的分子或者发光很弱的单稀土离子等变成明亮的发光体。这项工作发表在Phys.Rev.Lett. 108,233001 (2012)。
4)光子与表面等离子体激元的超紧凑转换以及超高效率近场光学显微镜探针。表面等离子体激元能使光场突破衍射极限产生局域场共振增强效应,具有众多应用,然而金属材料在光频段的损耗(特别在可见光区) 严重限制了这些应用的效果,因此高效率紧凑的光子-等离子体相互转化不可缺少。我们提出了采用端面直接耦合(Butt-coupling)的方案,只需单个界面即将介质波导中的导模转换成金属线上的表面等离子体,获得了世界上转换效率最高、结构最紧凑、工作带宽最宽的光子-等离子相互转换器,理论上在光波长1550nm处可超过99%、在600nm处效率达到95%,有效带宽(转换效率90%以上)超过200nm。此项工作发表在Nano Letters 9, 3756 (2009)。我们给出了解决等离子波导实际应用中长期存在的瓶颈问题的方案,为集成光路中采用介质和金属混合集成,让介质波导和等离子波导各司其职提供了可行性基础。同时基于这项成果,我们可以构建超高光输入输出效率的近场光学显微镜探针。如何高效率地将远场光能量输运到近场即探针的顶端是近场光学领域从上世纪80年代初开始以来一直在探索的问题,时至今日,采用开口探针的近场显微镜,大约只有0.1%的能量能够达到开口处,我们的方案可将超过70%的远场光能量聚集到针尖的顶端附近10nm半径区域内,从而有望解决30年来长期存在的低输出效率问题。
奖项与荣誉
入选第十批千人计划青年人才项目,获优先资助。
 
学术职务与交流
1.        2014年2月起担任国际会议TaCoNa Photonics组委会成员 (Committee member)
2.        2014年国际会议PIERS Guangzhou focus session “solid-state quantum photonics”召集人和组织者
3.        2011年第二届德国马普学会与中国科学院前沿探索圆桌会议的Fellow及协调人 
4.        物理与光学领域国际期刊审稿人,审稿期刊包括Physical Review Letters, Physics Review A / B, IEEE J. Quantum Electronics, J. European Optical Society, J. Physical Chemistry, Optics Letters, Optics Express, and Applied Optics等

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