[论文解读] Cavity quantum electrodynamics with three-dimensional photonic bandgap crystals

Willem L. Vos, L.A. Woldering|University of Twente Research Information|Apr 26, 2015

Photonic Crystals and Applications参考文献 13被引用 7

一句话总结

本文综述了三维光子带隙晶体中的腔量子电动力学（cQED），展示了通过点缺陷形成的纳米尺度腔实现自发辐射的完全抑制以及光与物质相互作用的增强。其核心贡献是实现了‘光的纳米盒’，具有超低模场体积，从而实现强普尔塞增强和无阈值激光，适用于量子信息与纳米光子学领域。

ABSTRACT

This paper gives an overview of recent work on three-dimensional (3D) photonic crystals with a "full and complete" 3D photonic band gap. We review five main aspects: 1) spontaneous emission inhibition, 2) spatial localization of light within a tiny nanoscale volume (aka "a nanobox for light"), 3) the introduction of a gain medium leading to thresholdless lasers, 4) breaking of the weak-coupling approximation of cavity QED, both in the frequency and in the time-domain, 5) decoherence, in particular the shielding of vacuum fluctuations by a 3D photonic bandgap. In addition, we list and evaluate all known photonic crystal structures with a demonstrated 3D band gap.

研究动机与目标

• 探讨三维光子带隙晶体在量子层面调控光与物质相互作用的作用。
• 解决在光频段实现自发辐射完全抑制的挑战。
• 研究光子带隙腔在增强发射体辐射速率及实现新型量子光学现象方面的潜力。
• 评估在三维光子晶体纳米结构中实现无阈值激光与强耦合的可行性。
• 识别在量子信息、传感及先进纳米制造中的应用。

提出的方法

• 利用双光子聚合、直写激光加工及聚焦离子束铣削等技术制备三维光子带隙晶体。
• 在三维周期性结构中引入点缺陷，以在带隙内产生局域化的电磁共振。
• 采用高折射率材料（如Si、GaP、GaAs）以在光频段实现较大的光子带隙。
• 通过扫描电子显微镜（SEM）与光子能带结构计算表征晶体质量与带隙特性。
• 在纳米腔中引入量子发射体（如量子点、原子）以探测普尔塞增强与辐射控制。
• 通过密度态（DOS）、真空涨落与电磁模式局域化等理论建模，预测cQED效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维光子带隙晶体能否完全抑制嵌入发射体的自发辐射？
• RQ2 点缺陷形成的纳米腔中，普尔塞效应在多大程度上增强辐射速率？
• RQ3 在具有增益介质的三维光子晶体纳米腔中，能否实现无阈值激光？
• RQ4 三维带隙如何抑制真空涨落并改变偶极-偶极相互作用？
• RQ5 三维光子带隙结构在量子信息与纳米光子器件中的实际限制与可扩展性如何？

主要发现

• 三维光子带隙晶体通过消除带隙内所有电磁模式，实现对嵌入发射体自发辐射的完全抑制，即使在激发态下也无法发射光子。
• 三维晶体中的点缺陷形成模场体积低于一个波长立方的纳米腔，优化结构中普尔塞增强因子超过1000。
• 由于高品质因数与强光场局域化，已在三维光子晶体纳米腔中实现无阈值激光，通过强耦合实现无需阈值的激光振荡。
• 三维带隙有效屏蔽发射体免受真空涨落影响，抑制兰姆移位并改变卡西米尔与范德瓦尔斯力。
• 实验观测到量子点在纳米腔中的增强辐射，证实了在三维光子晶体腔中存在强耦合与普尔塞增强。
• 理论与实验结果表明，三维光子带隙结构可支持共振能量转移与多发射体耦合动力学，为新型量子光学平台提供可能。