北京大学：《微纳光学》课程教学课件（超材料光学讲稿）第五章 量子微纳光学 5.5 基于超构表面的量子性质 5.6 基于拓扑光子结构的量子性质

第五章量子微纳光学5.1分子荧光5.23纳米结构近场区域偶极子弛豫系数5.3SPP增强分子荧光的前沿进展5.4SPP的量子性5.5基于超构表面的量子性质5.6基于拓扑光子结构的量子性质5.7微纳尺度腔量子电动力学及应用古英ygu@pku.edu.cn

1 第五章 量子微纳光学 5.1 分子荧光 5.2 纳米结构近场区域偶极子弛豫系数 5.3 SPP增强分子荧光的前沿进展 5.4 SPP 的量子性 5.5 基于超构表面的量子性质 5.6 基于拓扑光子结构的量子性质 5.7 微纳尺度腔量子电动力学及应用 古英 ygu@pku.edu.cn

第五章量子微纳光学5.5基于超构表面的量子性质5.5.1量子干涉和量子关联5.5.2量子光源5.5.3量子态操控5.5.4其它2

2 第五章 量子微纳光学 5.5 基于超构表面的量子性质 5.5.1 量子干涉和量子关联 5.5.2 量子光源 5.5.3 量子态操控 5.5.4 其它

量子光学和量子信息关注的部分核心问题光和量子体系作用、量子干涉和量子关联、量子光源、量子态操控及其过程中的损耗、效率、制备等超构表面的特色：有特定功能的周期或准周期人工微（亚波长）结构薄层a.微结构单元有共振时，近场增益>产生和调控量子光源和量子体系（如SPP结构中情况）b.超构表面特定功能包括（但不限于）相位跃变、偏振和振幅调控>调控量子光源和量子体系的相位、方向和角动量等c.周期或准周期的薄层→独特的优越于三维超材料的性质3

3 量子光学和量子信息关注的部分核心问题： 光和量子体系作用、量子干涉和量子关联、量子光源、量子态 操控及其过程中的损耗、效率、制备等 超构表面的特色： 有特定功能的周期或准周期人工微（亚波长）结构薄层 a. 微结构单元有共振时，近场增益 → 产生和调控量子光源和量 子体系 （如SPP结构中情况） b. 超构表面特定功能包括（但不限于）相位跃变、偏振和振幅 调控 → 调控量子光源和量子体系 的相位、方向和角动量等 c. 周期或准周期的薄层→ 独特的优越于三维超材料的性质

5.5.1量子干涉和量子关联利用超构表面造成的相位和振幅可控的各ayYkeAnisotropic向异性真空调控量子干涉quantumvacuumdampingterm takes theform k=(yxx-yy)/2.FromFig.(4)weobtainxx=0.6,yy=-1which yieldsx=-0.2.Ifweconsiderd=204o whereo=894nmwe obtain a significant cross damping at a distance of~18 um from themetasurface.Itis worth mentioning that1.02.0Yy/YaNopolarization y-polarizatioraheooppoigeu(a) rs ased1.5ox1.00.0yIdeal phase1000.0distance,d/A3Design#(b)(a)week endingPHYSICALREVIEWLETTERSPRL115,025501(2015)10JULY20159Metasurface-Enabled Remote Quantum InterferencePankaj K. Jha, Xingjie Ni, Chihhui Wu,'Yuan Wang,' and Xiang Zhang'24

4 利用超构表面造成的相位和振幅可控的各 向异性真空调控量子干涉 5.5.1 量子干涉和量子关联

利用超构表面的各向异性真空（珀塞尔系数）增强量子干涉Transition metal dichalcogenides (TMDCs)of the form MX2 (M.Mo,W;X.S.Se, Te)原理与上页同不同之处：emitter由原子换成TMDC超构表面重新设计Spontaneous Exciton Valley Coherence in Transition Metal Dichalcogenide MonolayersInterfacedwithan AnisotropicMetasurfacePankaj K. Jha, Nir Shitrit,' Xuexin Ren, Yuan Wang, and Xiang Zhang*-2*PHYSICALREVIEWLETTERS121.116102(2018)5

5 利用超构表面的各向异性真空（珀塞尔系数）增强量子干涉 Transition metal dichalcogenides (TMDCs) of the form MX2 (M . Mo,W;X . S, Se, Te) 原理与上页同 不同之处： emitter由原子换成 TMDC 超构表面重新设计

利用超构表面增强0.3B00量子比特间的纠缠0.Vacuum (x10)0.015Normalizedtime原理：第一个比特发出可达90%的光通过超构表面聚焦在第二个量子比特上，1.01.0F5μmCIm(E/E)0.80.60.60.4ON0.20.2Re(E/E)0.001015520Distance,d/,Metasurface-MediatedQuantumEntanglementPankaj K Jha,+$ Nir Shitrit,+$ Jeongmin Kim, Xuexin Ren, Yuan Wang, and Xiang Zhang*tACSPhotonics2018,5,971-9766

6 利用超构表面增强 量子比特间的纠缠 原理：第一个比特发出 的光通过超构表面聚焦在第二个量子比特上，可达90%

5.5.2量子光源超构表面上的hBNplasmonic NP arraysilicon substrateDMMAfiImPurcell效应401.0Dnsbneemitie0.8quantum emitters in 2DCoupiedemit15x1030Plasmonicres0.6(wrf).85hexagonal boron nitride0.410.2（hBN）（六角氮化硼）0.010可以看到：正常的和耦合的emitters荧光谱线不同10.7070060065075020301040Distance (μm)Wavelength (nm)dnslineemttne)gC0.0-60-40-20020ao6102aDelay time (ns)Delay time (ns)Deterministic Coupling of Quantum Emitters in 2D Materials toPlasmonicNanocavityArraysToan Trong Tran, Danqing Wang, Zai-Quan Xu, Ankun YangMilos Toth,tTeri W. Odom,t.s.land Igor Aharonovich.tNanoLett.2017,17,2634-2639

7 quantum emitters in 2D hexagonal boron nitride (hBN) （六角氮化硼） 可以看到：正常的和耦合 的emitters荧光谱线不同 超构表面上的 Purcell 效应 5.5.2 量子光源

通过超构表面产生圆偏振的高方向性的单光子hydrogensilsesquioxane（HSQ）氢硅酸盐类超构表面设计+linearpolarizedNVcenter2PabHSQSiO2AgC21T2m3m/23m/2(e)eAngle(rad)PhaseT/2/2Angle 0150250300200350400Width w (nm)150 nmthick HSQ width-varying nanoridges with theperiod P=550 nm20 nmthinSi0,spacer and a 200nmthick AgsubstrateMetasurface-Enabled GenerationofCircularlyPolarizedSinglePhotonsAdv.Mater.2020,32,1907832Yinhui Kan,Sebastian K.H.Andersen,FeiDing,*ShaileshKumar,ChangyingZhao,8andSergeyI.Bozhevolnyi*

8 hydrogen silsesquioxane (HSQ) 氢硅酸盐类 通过超构表面产生圆偏振的高方向性的单光子 超构表面设计 + linear polarized NV center

用共振超构表面的SPDC过程上产生窄线宽光子对Spontaneousdegenerateconversion在锯酸锂衬底上设计超构表面的电共振和磁共振，利原理：用共振模式的局域场增强提高光子对的产率和线宽变窄lithium niobate (LN) and gallium phosphide (GaP)ww200x128aJnpatternedBafilm:MetasurfaceJnou1500155016001650E/IEWavelength (nm)PhotonPairsfrom ResonantMetasurfacesNanoLett.2021,21,4423-4429Tomas Santiago-Cruz,Anna Fedotova,Vitaliy Sultanov, Maximilian A Weissflog, Dennis ArslanMohammadreza Younesi,ThomasPertsch,Isabelle Staude,Frank Setzpfandt,and Maria Chekhova9

9 用共振超构表面的SPDC过程上产生窄线宽光子对 Spontaneous degenerate conversion 原理：在铌酸锂衬底上设计超构表面的电共振和磁共振，利 用共振模式的局域场增强提高光子对的产率和线宽变窄 lithium niobate (LN) and gallium phosphide (GaP)

(a)(b)(c)其它超构表面LCPRCPXX中的量子光源利透意SiO.OD金刚石SiO.NOA61玻璃d(eGaSio.布拉格环(CBR-HBR)结构（a）基于CBR-HBR的量子点纠缠光源图1基于超构表面的量子发光体光源b）自旋按需调控的双焦点超构透镜量子点辐射叫，（c）超构透镜对单NV色心单光子源的辐射调控5（d）嵌入量子点的微环谐振腔产生携带OAM量子叠加态的单光子源：（e）超构表面诱发二维hBN单光子辐射20浅谈超构表面在量子光学中的应用and references therein祝世宁物律·50卷（2021年）5期308李林程亚210

10 and references therein. 其它超构表面 中的量子光源