近日，beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室和納光電子前沿科學中心“極端光學創新研究團隊”龔旗煌院士和古英教授從理論上證明了拓撲保護下的單光子發射的級聯增強和發射光子高效的收集可以在包含共振介電納米盤的拓撲光子晶體中同時實現(圖1)。相關研究成果以“拓撲保護下單光子發射級聯增強和高效收集”（Cascade Enhancement and Efficient Collection of Single Photon Emission under Topological Protection）為題，在線發表在《納米快報》（Nano Letters）。

微納尺度的單光子源對于片上量子信息處理至關重要。 通過腔内光學模式增強自發輻射，即珀塞爾效應，是實現單光子源的基本原理之一。高光子發射率，高收集效率，高量子産率以及對缺陷和擾動的魯棒性對單光子源的實際應用來說是基本要素。然而目前支持各種各樣光學模式的微納結構還無法同時滿足以上要求。此外，這些微腔的特性在制造過程中會受到缺陷和幹擾的影響，這進一步限制了它們在高質量單光子源中的應用。拓撲光子學的魯棒性和抗散射等獨特性質為單光子源的發展帶來了新的機遇。實現拓撲保護下單光子的高發射率，高收集率和高量子産率仍然是一個未解決的問題。

圖1 拓撲保護下單光子發射的級聯增強和高效收集，在包含共振介電納米圓盤的拓撲光子晶體中同時被實現。

作者團隊将共振的納米圓盤嵌入到拓撲光子晶體支持的邊緣态通道中，提出了如圖2（a）所示的複合結構。在這樣的複合結構中，可以實現拓撲保護下的單光子發射的級聯增強和發射光子高效的收集。納米圓盤的磁偶極共振可以看作是一個大的等效磁偶極子，這個大的等效磁偶極子和邊緣态之間有着大的近場重疊，這源于他們之間相似的旋轉特性的磁場(圖2(c))。

圖2 (a)拓撲光子晶體—共振納米圓盤複合結構示意圖。（b）蜂窩光子晶體結構示意圖。(c) 由磁量子發射器（棕色箭頭）激發的納米盤的磁偶極子共振可以等效成大磁偶極子（粉色箭頭）。 納米盤和等效磁偶極子周圍的流線是磁場線。 底部是邊緣态的電場分布，白色流線是磁場線。

這就使得複合結構中的單光子的磁發射可以達到級聯增強的效果，Purcell 系數可以達到4000以上（圖3）。為了定量描述複合結構中的增強效果，作者定義級聯增強因子。複合系統可以實現比單獨的納米圓盤或拓撲光子晶體更強的發射增強，并具有級聯效應。這裡級聯增強因子可以達到0.53。

同時，發射的光子可以被有效引導在邊緣态通道中傳播，由于邊緣态的魯棒性，實現了超過90%的收集效率（圖3）。介質結構的低損耗和拓撲模式的抗散射特性使得量子産率幾乎等于收集效率，也就是說，幾乎所有的發射光子都可以用于片上光子器件。

圖3 (a) 裸納米圓盤磁偶極共振的電場圖，白色流線表示磁場線。(b)上圖：複合結構中邊緣态的電場圖，下圖：邊緣态的電場圖, 白色流線表示磁場線。（d）裸納米圓盤，裸拓撲光子晶體，複合結構中總的Purcell 系數，插圖是複合結構中，沿着邊緣态傳播部分的Purcell 系數。

該研究提出了拓撲保護下單光子發射級聯增強和發射光子高效收集的機制，這将為超亮穩定的片上單光子源提供實際應用，也為拓撲結構中腔量子電動力學的研究提供新的見解。

beat365官方网站現代光學所2021級博士研究生賈雅利為論文第一作者，古英為論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、極端光學協同創新中心、納光電子前沿科學中心、科技創新2030重大項目等的支持。

原文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03588