光子自旋態(tài)是最重要的量子資源之一，自旋態(tài)按需調(diào)控的量子點(diǎn)單光子源在量子信息和量子芯片等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。然而，量子點(diǎn)單光子輻射的隨機(jī)性導(dǎo)致自旋態(tài)的調(diào)控非常困難，使其應(yīng)用受到了極大的限制。
近日，中山大學(xué)物理學(xué)院王雪華教授和團(tuán)隊(duì)成員李俊韜教授、包燕軍研究員等人為克服量子點(diǎn)單光子輻射和其自旋態(tài)的隨機(jī)性，提出一種基于超構(gòu)表面透鏡雙焦點(diǎn)輻射的量子點(diǎn)單光子源結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)位于雙焦點(diǎn)上的量子點(diǎn)和其鏡像的輻射光子能實(shí)現(xiàn)方向可控的準(zhǔn)直出射，并能同時(shí)實(shí)現(xiàn)左右旋偏振態(tài)的按需調(diào)控。為提高光子的收集效率，在結(jié)構(gòu)背部設(shè)置有一面反射鏡，反射光子可以等效為量子點(diǎn)鏡像發(fā)射的光子。實(shí)驗(yàn)制備該量子光源的最大挑戰(zhàn)在于如何精確地把量子點(diǎn)和其鏡像集成在超構(gòu)表面透鏡的雙焦點(diǎn)上。王雪華教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)展超構(gòu)表面制備技術(shù)和前期研究“三高”量子糾纏光子源【Nature Nanotechnology 14，586（2019）】所發(fā)展的定位精度達(dá)10納米的熒光成像精確定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)和其鏡像與超構(gòu)表面透鏡雙焦點(diǎn)的精確重合，演示了到目前為此所報(bào)道的最小發(fā)散角（3.17度）的準(zhǔn)直出射，并實(shí)現(xiàn)了左、右旋偏振態(tài)分離可調(diào)且偏振度達(dá)88%的按需調(diào)控單光子源。該研究工作提供了基于超構(gòu)表面調(diào)控量子光源的新方案，為推進(jìn)量子光源性能的按需調(diào)控和實(shí)用化向前邁出了非常重要的一步。
圖A：超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)調(diào)控量子點(diǎn)輻射示意圖。 圖B：實(shí)驗(yàn)測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。
該成果于2020年7月29日以 “On-demand spin-state manipulation of single-photon emission from quantum dot integrated with metasurface” 為題在線(xiàn)發(fā)表在期刊Science Advances上，中山大學(xué)包燕軍研究員和林巧玲碩士為共同第一作者，李俊韜教授和王雪華教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金、廣州市科技計(jì)劃、中山大學(xué)高?；A(chǔ)科研業(yè)務(wù)等項(xiàng)目以及光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。
