近日，我校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙建林教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合北京大學(xué)教授劉開(kāi)輝、中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員馬超杰、蘇州大學(xué)教授張丙昌和王紹軍，在物理學(xué)領(lǐng)域期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表了題為“單向高亮激子發(fā)射與光波導(dǎo)的高效耦合”（Unidirectional Giant Exciton Emission into a Photonic Waveguide）的研究論文。我校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究生王其發(fā)、羅煥，中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員馬超杰為論文共同第一作者。我校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授肖發(fā)俊、甘雪濤，北京大學(xué)教授劉開(kāi)輝為論文共同通訊作者。我校教授趙建林對(duì)本工作給予了指導(dǎo)。西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院為論文第一署名單位。
光子芯片已成為新一代信息技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展方向，有望像電子芯片一樣支撐高速計(jì)算、通信與傳感。要實(shí)現(xiàn)這一愿景，須在納米尺度上高效產(chǎn)生并精確操控光信號(hào)。特別地，在微小結(jié)構(gòu)中同時(shí)兼顧高亮度與定向發(fā)射，仍是當(dāng)前的核心難題。近年來(lái)，二維半導(dǎo)體憑借原子級(jí)超薄結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光學(xué)特性，被視為新一代片上納米光源的有力候選，并在集成光電子學(xué)與量子信息等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。但這類(lèi)材料中的激子通常呈全向發(fā)射，且受限于較弱吸收與較低量子效率，難以與波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高效耦合。盡管已有多種二維材料—波導(dǎo)的集成方案取得一定進(jìn)展，耦合效率不足與發(fā)射方向不可控仍是普遍瓶頸。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“納米立方二聚體—鏡面”納腔結(jié)構(gòu)，精確實(shí)現(xiàn)了腔內(nèi)等離激元模式與InSe激子在空間分布、光譜峰位及偶極取向上的協(xié)同匹配。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)打破納腔結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，有效調(diào)控了波前在相反方向上的相長(zhǎng)與相消干涉，從而實(shí)現(xiàn)了激子的單向發(fā)射，并藉此觀(guān)察到超過(guò)3500倍的激子熒光增強(qiáng)以及高達(dá)15 dB的定向發(fā)射。進(jìn)一步，將單向激子發(fā)光成功耦合到硅納米線(xiàn)波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了24%的耦合效率和長(zhǎng)達(dá)140微米的熒光傳輸距離。該工作不僅解決了納米光子結(jié)構(gòu)中“強(qiáng)局域近場(chǎng)與高度定向遠(yuǎn)場(chǎng)難以兼顧”的物理矛盾，也為實(shí)現(xiàn)超緊湊片上光源、量子光子器件與片上信息處理系統(tǒng)提供了新的物理途徑。所提出的納腔平臺(tái)可進(jìn)一步與多種量子發(fā)光體（如其他二維半導(dǎo)體或量子點(diǎn)）集成，并有望擴(kuò)展至片上單光子源、低閾值納米激光器及電驅(qū)動(dòng)納米光源，為下一代集成光子系統(tǒng)的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
對(duì)稱(chēng)破缺納腔實(shí)現(xiàn)激子熒光增強(qiáng)、單向發(fā)射及與波導(dǎo)高效耦合
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/3fxz-6v6s
（文圖：肖發(fā)俊、閆娜；審核：晁小榮）
