第五章表面等离激元光学和量子体系的交叉研究古英2012年4月ygu@pku.edu.cn
1 第五章 表面等离激元光学和量子体系的交叉研究 古英 ygu@pku.edu.cn 2012年4月
结合了光子学和电子学的优点，通过将光场压缩在纳米尺度，充许在纳米尺度上研究光与物质相互作用。表面等离激元本质上是电磁波，具有波粒二象性。在未来的计算机中光子能够代替电子吗？光子回路体积小，易于集成，损耗小，传的快，但是光子间没有相互作用，实现量子操控比较困难。光子与表面等离激元间的交换弥补了这一不足，可在单光子探测，纠缠，可控相位门，量子的非线性效应方面有应用。2
2 结合了光子学和电子学的优点，通过将光场压缩在纳米尺度， 允许在纳米尺度上研究光与物质相互作用。 表面等离激元本质上是电磁波，具有波粒二象性。 在未来的计算机中光子能够代替电子吗？光子回路体积小， 易于集成，损耗小，传的快，但是光子间没有相互作用，实 现量子操控比较困难。光子与表面等离激元间的交换弥补了 这一不足，可在单光子探测，纠缠，可控相位门，量子的非 线性效应方面有应用
（SPP）SurfaceplasmonpolaritonSPP:collectiveoscillationsof freeelectronsevanescent EMmodeboundtosurfaceDielectricE[EsplFLeE(0)MetalLocalizedSPorSPR:localizedoscillationstronglocalfield100nmFigure 1.3:Particleplasmonultrasmall optical modevolume Vm3WilliamL.Barnes,AlainDereux&ThomasW.Ebbesen,nature,424,824(2003);V.Zayatsa,etal,PhysRep.2005,408:131-314:
3 Surface plasmon polariton (SPP) ultrasmall optical mode volume Vm Localized SP or SPR: localized oscillation strong local field SPP: collective oscillations of free electrons evanescent EM mode bound to surface William L. Barnes, Alain Dereux & Thomas W. Ebbesen, nature, 424, 824 (2003); V. Zayatsa, et al, Phys Rep. 2005, 408:131–314;
What'snewforquantumemitterswithultrasmalloptical modeVm?Weak coupling:Purcell factor F=yl yoanisotropicelectricmodedensityofoscillationsanisotropicopticalmodedensityenhanced(F>1)oranisotropic decay ratessupressed(F<1)spontaneousemissionatsubwavelengthscaleStrong coupling: Cavity QEDVmisextremelysmallg (αisverylargeQisnothighduetolossLow-lightlevelnonlinearopticsR.R.Chance,A.Prock,andR.Silbey,J.Chem.Phys.62,2245(1975);D.E.Changetal.,Phys.Rev.Lett.97,053002(2006);EdoWaksandDeepakSridharan,Phys.Rev.A,82,043845(2010)
4 What’s new for quantum emitters with ultrasmall optical mode Vm? R. R. Chance, A. Prock, and R. Silbey, J. Chem. Phys.62, 2245 (1975); D. E. Chang et al., Phys. Rev. Lett. 97, 053002 (2006); Edo Waks and Deepak Sridharan, Phys. Rev. A, 82, 043845 (2010) Weak coupling: Purcell factor F=γ/ γ0 anisotropic electric mode density of oscillations anisotropic optical mode density anisotropic decay rates enhanced (F>1)or supressed (F<1) spontaneous emission at subwavelength scale Strong coupling: Cavity QED Vm is extremely small g (∝ ) is very large Q is not high due to loss Low-light level nonlinear optics 1 Vm
表面等离激元如何介入和量子体系的相互作用？Weakcoupling1）在表面等离激元结构的近场区域内为偶极跃迁提供了较强的各向异性Purcell系数环境（态密度）2）激发的表面等离激元是局域的电磁波，可以发生在纳米尺度上定域的与原子系综的相互作用（近场增益）Strongcoupling3）量子的表面等离激元与单量子体系的相互作用
表面等离激元如何介入和量子体系的相互作用？ Weak coupling: 1）在表面等离激元结构的近场区域内为偶极跃迁提供了较强 的各向异性Purcell 系数环境（态密度） 2）激发的表面等离激元是局域的电磁波，可以发生在纳米尺 度上定域的与原子系综的相互作用（近场增益） Strong coupling: 3）量子的表面等离激元与单量子体系的相互作用