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北大团队重要进展!attoDRY800桌面式光学低温恒温器,助力莫尔光子晶体纳米腔中的腔量子电动力学研究

文章名称:Cavity quantum electrodynamics with moiré photonic crystal nanocavity

期刊:Nature communications

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-59942-5


腔量子电动力学(Cavity Quantum Electrodynamics, CQED)作为量子光学与凝聚态物理的交叉领域,主要探究量子发射体与受限光场的相互作用机制。当量子发射体与光学微腔处于强耦合状态时,由于腔内光子态密度的局域调制,发射体的辐射特性会显著改变,这一现象被称为珀塞尔效应(Purcell Effect)。该效应在高效率量子光源制备、超低阈值激光器研发等领域展现出重要应用价值,是推动量子信息技术发展的核心基础之一。近期,北京大学许秀来课题组在《Nature Communications》发表以“Cavity quantum electrodynamics with moiré photonic crystal nanocavity”为题的研究论文,报道了基于莫尔光子晶体纳米腔与单个量子点耦合体系的珀塞尔效应实验研究,为固态腔量子电动力学的研究提供了新的平台。

 

研究团队在嵌入量子点的砷化镓板中,通过以特定角度扭曲两层光子晶体结构,构建了莫尔光子晶体纳米腔。这种特殊的层间相互作用导致能带中形成平带,其特殊的光学特性实现了高品质因子(Q)值、低模式体积和量子点与腔模场之间的大重叠,实验验证了基模的Q值约为2000。当单个量子点与腔模共振时,光致发光强度增强约8.4倍,通过寿命测量证实自发辐射速率提升至少约3倍以及通过二阶关联函数(g²(τ))测量验证了单光子发射特性,测得的g²(0)为0.28 ± 0.10。。研究结果表明,莫尔光子学在实现固态腔量子电动力学方面具有潜力,为未来的光学量子信息处理提供了可能。


目前尚未有实验研究将莫尔纳米腔与单个量子点耦合的技术,其一是因为在近红外区域与量子点相匹配的悬空双层扭曲结构在制造过程中很容易坍塌;其二为纳米腔的模式场主要集中在空气孔中,阻碍了量子点与模式场之间的有效空间重叠,从而影响了腔体与量子点之间的耦合强度。该研究中,研究人员设计并优化了莫尔光子晶体超晶格,如图1所示。厚度为150 nm的光子晶体板在中心夹着一层InGaAs量子点,它在近红外波长下作为量子发射器。图1c展示了莫尔超晶格结构中不同空间类型纳米腔的Px和Py峰的Q值。实验结果显示,腔A和腔B的两个峰的Q值相似,且比腔C和D的峰值高出两倍。


图1:莫尔光子晶体纳米腔的表征。1a超晶格结构的SEM图像。1b从腔A(a=310 nm)收集的光致发光光谱。1c超晶格结构中不同类型的纳米腔体产生的两个分裂峰的平均Q值。1d同一超晶格结构中不同腔体的光致发光光谱。


通过调控晶格常数a和原胞最外层空气孔位移量δd,可以调整莫尔光子晶体纳米腔的性质。随着a值的增加,腔中心波长发生红移,Q值也随之提高。例如,当δd为0时,a从298 nm增加到314 nm,波长从968 nm红移至1022 nm,Q值从800提升至1700(图2f)。当a = 314 nm,δd = 16 nm时,Q值可达到接近2000。


图2:不同晶格常数a和原胞最外层空气孔位移量δd条件下莫尔光子晶体纳米腔结构及其基模特性。2a, 莫尔腔结构最外层的示意图。2b, 不同晶格常数下莫尔腔结构最外层的SEM放大图。2c, 不同位移量下莫尔腔结构最外层的SEM放大图。2d, 2e, 不同晶格常数、位移量的莫尔腔基模Px,Py的平均波长。2f, 2g, 不同晶格常数、位移量的莫尔腔基模Px,Py的平均品质因子。


为了研究单个量子点与纳米腔之间的相互作用,课题组采用15微瓦的低激发功率对样品进行泵浦,使量子点和腔体同时出现在光致发光光谱中。图3a展示了量子点在不同温度下穿过纳米腔基模时的光致发光光谱。图3b显示了量子点的荧光强度随量子点-腔模失谐能变化的关系图。当量子点与纳米腔模式共振时,其量子点荧光强度可提高~8.4倍。图3c显示了量子点在不同条件下的荧光衰减数据。通过寿命测量证实自发辐射速率提升至少约3倍。图3e通过二阶关联函数(g2)测量结果,展示了将量子点与纳米腔耦合后,单光子发射效率的显著提升。


图3 与纳米光子晶体纳米腔耦合的单量子点的珀塞尔效应和单光子发射特性。3a不同温度下量子点(QD)在纳米光子晶体纳米腔中(a=310nm,δd=16nm)的PL光谱测量。3b, 量子点的荧光强度随量子点-腔模失谐能变化的关系图。3c, 量子点在体材料,与腔模共振,非共振以及系统仪器响应的衰减曲线。3e, 量子点发射的单光子二阶关联函数测量。

 

综上所述,课题组通过设计成功制造了扭转角为6.01°的莫尔光子晶体超晶格结构。通过调整单层光子晶体的填充比例和纳米腔最外层空气孔的相对距离,实验上实现了Q值约为2000的莫尔腔,当单个量子点与腔模共振时,光致发光强度增强约8.4倍,通过寿命测量证实自发辐射速率提升至少约3倍以及通过二阶关联函数(g²(τ))测量验证了单光子发射特性,测得的g²(0)为0.28 ± 0.10。实验结果为莫尔光子晶体腔在量子光学领域的应用提供了关键实验支撑。


本研究中,德国 attocube 公司的 attoDRY800 桌面式光学低温恒温器作为核心实验平台,为量子点与纳米腔耦合体系的低温光学测量提供了关键技术保障。该设备为干式闭循环低温恒温器,系统冷头高度耦合到光学平台内,可提供4K到320K的变温环境。设备具有极低的震动噪音(Z方向噪音小于5 nm),为国内外课题组广泛应用于量子通信、量子点发光、半导体材料、二维材料等研究领域。基于attoDRY800系统,用户可以进行拉曼光谱、荧光光谱等实验。具有超低震动水平,可以长时间稳定测量量子点与纳米光子晶体材料的光学光谱性质。


图4. attoDRY800桌面式光学低温恒温器- 可配低温物镜,低温位移台以及高频接线等定制配置。


attoDRY800桌面式光学低温恒温器已经在北京大学,中国科学院半导体研究所,国家纳米科学中心,南京大学,武汉大学,华东师范大学等单位顺利运行,助力中国科学家的科学研究。图5为常见真空罩设计,其内部可配置低温消色差物镜以及纳米精度位移台。如果有定制实验需要可联系厂家沟通设计(例如透射光谱与open cavity等实验)。


图5:常见配置-真空罩内置低温物镜与低温位移台。


attoDRY800主要技术特点:


图6:全新一代独立光学低温恒温器attoDRY800xs- 冷头与光学面包板高度集成。


attoDRY800桌面式光学低温恒温器 部分发表文献:

 

attoDRY800桌面式光学低温恒温器 部分国内用户单位:



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