陳學文

基於固態單量子體系的量子光源

面向平面集成芯片的固態量子納米光子學

近場光學及單顆粒納米操縱

介觀尺度複雜介質與光和單量子體系相互作用理論

數學物理方法基礎

電動力學

單量子系統與納米結構物質的相干相互作用理論。從從損耗介質中的光場量子化開始，建立了嚴格的光與金屬納米結構和單量子系統相互作用量子理論平台，研究了不同尺度下金屬結構與單量子系統的相干相互作用。理論預言單量子系統對大金屬納米結構的巨大反作用效應：對幾個納米的金屬納米顆粒，單個量子系統可以使顆粒的吸收增強1000倍，可作納米熱源；對散射為主的大金屬結構例如納米光頻天線，單個量子系統可使該天線在寬帶範圍內光學隱身，因此單量子系統可作調控開關和單光子功率鉗制器。詳情見論文Phys.Rev.Lett. 110,153605(2013).

基於單分子的明亮單光子源。實驗演示了收集效率96%、探測功率達到每秒5千萬光子數的單光子源，成為當時世界紀錄。這項工作從根本上突破了單光子源長期存在的低收集效率、低亮度的問題，為眾多依賴於單光子源技術的應用提供了基本保障，如量子保密通信、光邏輯信息處理、物理量定標和基於光強壓縮態的極低噪聲量子測量都將受益。該工作採用了金屬、介質結合的平面光頻天線結構，可構建收集效率超過99%、性能穩定、工藝相對簡單的單光子源，器件結構適用於任意固態單量子系統，包括單分子、單量子點、單金剛石色心等，並且對輻射源的偶極矩取向沒有任何限制。運用這種方案和光脈衝激發，我們可以真正實現觸發式的、確定性的、按需的單光子源。詳情見論文Nature Photonics 5,166(2011)和Opt. Lett. 36, 3545(2011)。

金屬-介質納米光學天線使單量子系統的自發輻射速率提高一萬倍，同時量子效率保持在80%左右。這項成果具有重要的科學意義，首先結合第二項成果超高速自發輻射使獲得微瓦級別的單光子源成為可能，這不僅在高效率量子信息處理方面,而且在量子精密測量方面具有重要應用；其次，將自發輻射速率提高一萬倍使得分子激發態壽命降低到百飛秒量級，這與分子的振動弛豫時間相仿，因此在光物理化學研究方面具有重要啓示，例如可能解決染料分子熒光閃耀與漂白問題，因為分子在激發態將來不及與氧氣其他原子發生接觸而大大降低熒光漂白的幾率；再次，這項成果可使原來不發光的分子或者發光很弱的單稀土離子等變成明亮的發光體。詳情見論文Phys.Rev.Lett. 108,233001 (2012)。

光子與表面等離子體激元的超緊湊轉換以及超高效率近場光學顯微鏡探針。表面等離子體激元能使光場突破衍射極限產生局域場共振增強效應，具有眾多應用，然而金屬材料在光頻段的損耗(特別在可見光區) 嚴重限制了這些應用的效果，因此高效率緊湊的光子-等離子體相互轉化不可缺少。我們提出了採用端面直接耦合(Butt-coupling)的方案，只需單個界面即將介質波導中的導模轉換成金屬線上的表面等離子體，獲得了世界上轉換效率最高、結構最緊湊、工作帶寬最寬的光子-等離子相互轉換器，理論上在光波長1550nm處可超過99%、在600nm處效率達到95%，有效帶寬(轉換效率90%以上)超過200nm。給出瞭解決等離子波導實際應用中長期存在的瓶頸問題的方案，為集成光路中採用介質和金屬混合集成，讓介質波導和等離子波導各司其職提供了可行性基礎。同時基於這項成果，可以構建超高光輸入輸出效率的近場光學顯微鏡探針。如何高效率地將遠場光能量輸運到近場即探針的頂端是近場光學領域從上世紀80年代初開始以來一直在探索的問題，時至今日，採用開口探針的近場顯微鏡，大約只有0.1%的能量能夠達到開口處,我們的方案可將超過70%的遠場光能量聚集到針尖的頂端附近10nm半徑區域內，從而有望解決30年來長期存在的低輸出效率問題。詳情見論文Nano Letters 9, 3756 (2009)和Optics Express 18, 10878-10887 (2010)。 ^[2]