我國科研人員在高手性度自旋傳輸的光子器件研究中取得進展

       光量子網絡近年來在量子信息處理和傳輸領域中得到了廣泛的關注。光子作為飛行量子比特，具有相干時間長、傳播距離遠、易于操縱和檢測等優點，可以通過連接靜態比特（如量子點）實現量子點-光子接口，從而構建可擴展的量子網絡。為了實現有效的光與物質相互作用，需要增強光子與量子發射器的耦合，而手性量子光學則為這種強耦合的實現提供了一種新穎的思路。在微納結構中，基于偏振偶極躍遷的量子點發射器可以實現與束縛光場單向性耦合，利用這種手性效應可以抑制發射光子的隨機性，從而實現單光子級別的手性光與物質的強耦合。目前，在光纖、波導、金屬界面等體系中已經有了一些微納尺度的手性量子光學器件。然而這些器件的功能較為簡單，集成度較低，無法滿足光量子網絡的集成度要求。因此為了實現高度集成的光量子網絡，亟需進一步提升手性光子器件的功能性和復雜性。

       近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理實驗室L02組博士生肖姍、研究員許秀來和L03組研究員金奎娟與納米物理與器件實驗室N09組研究員張建軍、副研究員王霆等合作，在手性光子器件研究中取得進展。他們前期在耦合單量子點的交叉波導中實現了位置依賴的手性耦合，使得交叉波導具有偏振確定的單向波導和分束器的雙重功能。相關研究成果發表在Applied Physics Letters上。近日，他們又設計并制備了用于實現確定性圓偏振光定向路由和分束功能的緊湊手性光子器件，集成了量子點作為量子光源，并觀測到了圓偏振光子的定向發射和分束，獲得的手性對比度高達0.84。相關成果發表在Laser & Photonics Reviews上。

       在納米光波導中，光場受到了強橫向束縛，產生沿著傳播方向的縱向場分量，從而形成局部圓偏振的光場分布。由于光場的局部圓偏振態與光的傳播方向耦合形成光子自旋-動量鎖定效應，自旋極化的量子發射器只能與其中一個傳播方向的光場偏振相匹配，形成光子的定向發射，從而實現確定性的自旋-光子接口。通過電磁仿真對量子點與波導的耦合強度與嵌入位置的優化，研究人員制備了多種含量子點的波導器件。利用空間選擇性微區熒光光譜的測量，研究人員觀測到了量子點躍遷輻射的不同圓偏振光在波導內向不同方向傳播。利用這種波導結構，他們進一步設計了手性光子分束器（圖2）。該結構由兩個橫向相鄰的GaAs納米梁波導和嵌入的自組裝InGaAs量子點構成，其中手性路由來源于波導內部固有的電磁場手性，而分束功能則是通過波導間的倏逝場耦合實現。在該器件中實現了確定性、高方向性圓偏振光子的定向發射和分束，手性對比度高達0.84

圖1.納米梁波導中的手性。(a)嵌入InGaAs量子點的GaAs納米梁波導示意 (b)波導橫截面上電場分布 (c)耦合效率和手性對比度隨偶極子位置的變化 (d)施加-7 T到7 T的磁場，從左右兩側光柵耦合器分別收集到的量子點的圓極化熒光光譜

圖2.手性光子分束器件的設計 (a)手性光子器件示意圖 (b)嵌入波導手性點處的兩個不同圓極化偶極子激勵源激發的波導模場分布 (c)和(d)波導間距為30 nm和50 nm時，手性對比度隨偶極子位置的變化

圖3.不同手性光子電路中具有確定性自旋傳輸手性行為的實驗結果 （a）和（b）左旋圓偏振光從左側兩個光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從右側兩個光柵耦合器輸出 （c）和（d）改變量子點的位置后，特定圓偏振光子從與上述相反方向的傳輸路徑輸出，即左旋圓偏振光從右側兩個光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從左側兩個光柵耦合器輸出。

該工作得到國家自然科學基金、廣東省重點研發項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）、中科院科研儀器設備研制項目和中科院創新交叉團隊的支持。

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