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 5.7 微纳尺度腔量子电动力学及应用

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5.3SPP增强分子荧光的前沿进展5.4SPP的量子性5.5基于超表面的量子性质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

5.7微纳尺度腔量子电动力学及应用腔量子电动力学CavityQuantumElectroDynamicsCQED2

2 5.7 微纳尺度腔量子电动力学及应用 腔量子电动力学 Cavity Quantum ElectroDynamics CQED

量子光学量子纳米光子学纳米光学纳米或亚波长尺度调控可逆量子光场复合体系量子信息自发辐射调控相互作用研究量子干涉场量子化量子体系结合其它新兴手性光子拓扑光子超材料光子晶体材料结构材料

量子光学 纳米光学 可逆 相互作用 量子纳米光子学 调控 自发辐射 量子信息 研究 复合体系 量子干涉 纳米或亚波长尺度 光子晶体 手性光子 材料 超材料 拓扑光子 结构 场量子化 量子体系结合 量子光场 调控 其它新兴 材料

解析求解表面等离激元的方法及应用基于表面等离激元光学的COED及应用基于复合纳米结构的COED

◼ 解析求解表面等离激元的方法及应用 ◼ 基于表面等离激元光学的CQED及应用 ◼ 基于复合纳米结构的CQED

表面等离激元：解析求解本征模式的研究方法本征模式是分析表面等离激任何表面等离激元激发可以看做各种电磁波本元传播、局域、调控及应用征模式的叠加的基础中=,P;Pi只有简单的或对称性高的纳米结构的本征模式才能解析给出，其它情况只能用数值模拟软件我们门发展的格林矩阵等方法能够解析给出不规则结构和多层膜等的本征模式5

任何表面等离激元激发 可以看做各种电磁波本 征模式的叠加 表面等离激元：解析求解本征模式的研究方法 本征模式是分析表面等离激 元传播、局域、调控及应用 的基础 我们发展的格林矩阵等方法 能够解析给出不规则结构和多层膜等的本征模式 只有简单的或对称性高的纳米结构的本征模式才能解 析给出，其它情况只能用数值模拟软件 5

我们的格林矩阵方法解决不规则纳米颗粒结构的局域模式本征问题：由纳米金属颗粒几何形状决定的格林并矢矩阵G(r,r',w)=本征值本征材料参数1-ikoR-3+3ikoR+kaR2exp[ikoR]RR本征矢一给出近场分布gR4kgR24元R3NsLn.:EOEnE(r) =N.RnS-SnPRB(2003,2004(3)n=1EPL(2008)App/PhysB(2010)从而可以设计和裁剪局域表面等离激元JApp/Phvs(2010)等6

本征问题：由纳米金属颗粒几何形状决定的格林并矢矩阵 本征值 本征材料参数 本征矢 给出近场分布 从而可以设计和裁剪局域表面等离激元 解决不规则纳米颗粒结构的局域模式 PRB ( 2003, 2004(3)) EPL (2008) Appl Phys B (2010) J Appl Phys (2010)等 我们的格林矩阵方法 6

传播表面等离激元：解析求解传播本征模式的研究方法表面等离激元波导uidedten缺点：传播长度短、被动调谐(c)策略：加入纳米介质层和液晶等解析求解多层柱状和薄膜波导模式ingdirliercwealfis0Eedietrt通过模式分析td亚波长光限制和长程传播传播的杂化模式、可主动调谐的波导模式ApplPhysLett(2013)分束器，干涉仪等纳米光子器件OptLett(2014)Plasmonics(2013)信息传输速度快，实现器件的小型化App/PhysB(2011)等7

通过模式分析： 亚波长光限制和长程传播传播的杂 化模式、可主动调谐的波导模式 Appl Phys Lett (2013) Opt Lett (2014) Plasmonics (2013) Appl Phys B (2011)等 表面等离激元波导 缺点：传播长度短、被动调谐 策略：加入纳米介质层和液晶等 分束器、干涉仪等纳米光子器件 信息传输速度快、实现器件的小型化 解析求解多层柱状和薄膜波导模式 传播表面等离激元：解析求解传播本征模式的研究方法 7

解析求解本征模式的研究方法局域模式的格林矩阵方法乙CE2Ha两者互补T传播模式的解析方法WE表面等离激元模式分析：Nat.Nanotech.(2012)局域模式十传播模式十耦合或叠加为我们后面在量子表面等离激元及其它领域应用提供积累和准备Phys. Rev. Lett.（2015,20172021)8

为我们后面在量子表面等离激 元及其它领域应用提供积累和 准备 局域模式的格林矩阵方法 传播模式的解析方法 表面等离激元模式分析： 局域模式＋传播模式＋耦合或叠加 解析求解本征模式的研究方法 Nat. Nanotech.(2012) Phys. Rev. Lett. (2015,2017，2021) 两者互补 8

LETTERSnaturenanotechnologyPUBLISHEDONLINE:26AUGUST20121DOI:10.1038/NNANO.2012.134Imaging the electrocatalytic activity of singnanoparticlesXiaonanShan12,IsmaelDiez-Perez13,LuojiaWang,PeterWiktor,YingGu4*LihuaZhang!WeiWang,JinLu15,ShaopengWang',QihuangGong?,JinghongLi5*andNongjianTao12*理论上的重要贡献单纳米颗粒电催化反应成像三位共同通讯作者之一与Arizona大学实验小组合作系统模拟了纳米颗粒在表面等离激元波的散射中的近场图样，利用局域场效应清楚地揭示了电催化反应成像的物理机制

单纳米颗粒电催化反应成像 与Arizona大学实验小组合作 系统模拟了纳米颗粒在表面 等离激元波的散射中的近场 图样，利用局域场效应清楚 地揭示了电催化反应成像的 物理机制 理论上的重要贡献 三位共同通讯作者之一 9

解析求解表面等离激元的方法及应用基于表面等离激元光学的CQED及应用基于复合纳米结构的COED

◼ 解析求解表面等离激元的方法及应用 ◼ 基于表面等离激元光学的CQED及应用 ◼ 基于复合纳米结构的CQED