[论文解读] Chiral-reversing vortex radiation from a single emitter by eigenstates phase locking

Xingyuan Wang, Hua‐Zhou Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2017

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 67被引用 3

一句话总结

该论文通过在宇称-时间对称环形谐振腔中的非简并点实现本征态相位锁定，展示了单个发射体产生的手性反转涡旋辐射。通过将量子点发射体与具有最高达1000倍普尔塞增强的等离子纳米腔耦合，该系统生成了具有可调拓扑荷的涡旋光束，其辐射的手性相对于系统的本征态发生反转，从而为纳米尺度手性量子光学和涡旋激光器开启了新范式。

ABSTRACT

The radiation of an emitter does not depend only on its intrinsic properties but also on the surrounding photonic environment, the notion of which is essential in the developments of lasers, quantum optics and other light-matter interaction related fields. However, in conventional wisdom, an emitter radiates into photonic eigenstates in the weak coupling regime and does not alter the property of the latter. Here, we report a counterintuitive phenomenon where the radiation field of a dipole in a parity-time symmetric ring resonator displays the opposite handedness to the eigenstates of the system. This chiral-reversing radiation takes place at an exception point of the underlying non-Hermitian system, where the singularity at the exceptional point forces a phase locking of the coalesced eigenstates when interacting with the dipole emitter. Such an intriguing phenomenon has been employed to construct vortex radiation with controllable topological charge from a single quantum dot embedded plasminic nanocavity with Purcell enhancement factor up to 1000. Our scheme enriches the interesting physics of an exception point in the quantum region and may open a new paradigm for chiral quantum optics and vortex lasers at nanoscale.

研究动机与目标

• 探索光子环境如何在传统弱耦合区域之外影响单个发射体辐射的手性特性。
• 研究非厄米系统中的非简并点在改变发射辐射手性方面的角色。
• 展示一种从单个量子点发射体生成可调拓扑荷的可控涡旋光束的机制。
• 通过本征态相位锁定建立用于手性量子光学和纳米尺度涡旋激光器的新平台。

提出的方法

• 该系统采用宇称-时间对称环形谐振腔，构建具有非简并点的非厄米光子结构。
• 偶极发射体与谐振腔耦合，导致在非简并点处简并本征态的相位锁定。
• 通过求解发射体与光子本征模的耦合系统，计算辐射场，揭示了手性反转现象。
• 通过调节发射体相对于非简并点的位置和耦合强度，控制系统的拓扑荷。
• 在等离子纳米腔中实现了最高达1000倍的普尔塞增强，显著提升了发射效率。
• 数值模拟与解析建模证实了通过本征态简并与相位锁定实现的手性反转效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个发射体的辐射手性是否可以相对于其光子环境的本征态发生反转？
• RQ2 在非简并点处简并本征态的相位锁定如何影响发射涡旋辐射的手性？
• RQ3 在单发射体系统中，发射涡旋光束的拓扑荷可在多大程度上实现可控？
• RQ4 普尔塞增强在实现纳米尺度高效手性涡旋辐射中起到何种作用？
• RQ5 具有非简并点的非厄米光子系统是否可用于设计用于量子光学的新颖光-物质相互作用？

主要发现

• 发射辐射的手性与光子系统的本征态相反，这一反直觉结果由非简并点物理机制驱动。
• 在非简并点处简并本征态的相位锁定是诱导辐射场手性反转的关键因素。
• 该系统生成了具有可调拓扑荷的涡旋光束，实现了光角动量的动态调制。
• 在等离子纳米腔中实现了最高达1000倍的普尔塞增强因子，显著提升了发射强度。
• 该现象在嵌入定制光子环境中的单个量子点中具有鲁棒性，可观测。
• 结果展示了一种新型纳米尺度光源手性调控机制，为手性量子光学和集成涡旋激光器开辟了新途径。