DP (Diabolical Point) 源於系統能級在參數空間中的偶然簡併，具有正交的本徵矢。由於DP的拓撲相位和特殊的能量色散關係，光學結構中的DP可以為研究拓撲光學或者量子拓撲性質提供新的思路和方法。同時，量子點等量子光源與光學微腔的耦合可以實現電子-光子相干交換的界面，是量子信息處理的重要載體。因此，如果在有源光學微腔中實現DP，則該系統就在可擴展化量子信息處理中有著廣泛的應用前景。
然而對於有源的微腔，微腔中的量子光源以及加工製備過程導致的缺陷會作為散射體導致背向散射，使得原本簡併的光學模式耦合形成新的模式。這些量子光源和缺陷的分佈隨機，很難對其進行控制。並且它們引起對稱的背向散射使得新形成的微腔模式為平庸的本徵態。因此，目前在有源微腔中實現DP是很困難的。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心許秀來課題組與顧長志研究員，金奎娟研究員與北京大學的肖雲峰教授，南開大學的薄方教授等人合作，在強耦合的有源光學微腔中實現了厄密簡併，即在光譜上觀察到一對DP。成功將DP引入有源光學微納結構使得該系統可以作為相位門的載體以及出射方向可控的激光器等，這對實現光量子網絡具有重要的意義。此外，作者還提出了通過引入控制器調控雙微腔之間的距離可以進一步提高該系統的可控性和可擴展性。相關成果以“Diabolical Points in Coupled Active Cavities with Quantum Emitters”為題發表在《Light: Science & Applications》上。楊靜南博士生和錢琛江博士為該文章的共同第一作者。
通過理論模型的分析和計算得出，當兩個微盤中的背向散射耦合強度相反時，一對DP會出現，即系統發生厄密簡併，如圖1（b）所示。經過理論模型的計算，與沒有背向散射的耦合微腔之間線性的關聯相比，處在DP的耦合微腔之間的關聯是非線性的，而且可以通過改變光學微腔之間的耦合強度或者背向散射耦合強度來控制，如圖2所示。然而，相反的兩個背向散射耦合強度也正是實驗上在耦合微腔中實現DP最大的難點，因為量子點在微腔中隨機分佈難以控制。為了解決這個問題，研究人員基於微腔中量子點和缺陷兩種散射體之間的競爭，提出了一種宏觀調控背向散射的方法。由於量子點和缺陷的折射率不同，可以分別充當高折射率的散射體以及低折射率的散射體，對背向散射耦合強度的貢獻一般來說分別是負和正的，從而這兩種散射體之間的競爭會影響背向散射耦合強度的正負性。通過優化微腔的尺寸，微盤中的兩種散射體可以處於平衡的競爭，即背向散射的分佈近似為平均值為0的高斯分佈, 並在腔模劈裂的統計結果中得到了證明，如圖3（f）所示。在這種的平衡態下，作者在一些強耦合的雙微腔系統中，通過調控兩個微腔的失諧觀測到了兩個微腔的背向散射數值相同但符號相反，從而其共振處實現了一對DP，如圖4（d）。
該工作得到了國家自然科學基金（11934019、11721404、51761145104、61675228、11874419），科技部重點研發計劃（2016YFA0200400），中科院戰略性先導項目（XDB07030200、XDB28000000、XDB07020200）, 科學院儀器研製（YJKYYQ20180036），科學院交叉創新合作項目，以及廣東省重點研發計劃（No. 2018B030329001）的資助。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-020-0244-9
圖1.（a）背向散射下滿足Y方向反轉的兩對態的圖示。紅色的箭頭代表“+”，藍色的箭頭代表的是“-”。（b）Ja,b不同取值下的四個本徵值。粉色線對應Ja=Jb，綠色線對應Ja=-Jb。
圖2.（a）Ja=-Jb 和 Φa=Φb=0 時，不同γ下的本徵空間。這個本徵空間與圖2（b）中上方的綠線對應。（b）兩個微盤之間的本徵空間以及關聯。黑色的點對應平凡的系統。藍色的線對應沒有背向散射的DP。紅色的線對應背向散射γ=0.30π的DP以及相移。紅色的實線對應（a）中的紅線以及圖1（b）中上方綠線上的一點。紅色虛對應圖1（b）中下方綠線上的一點。
圖3.（a）單個微盤和雙盤的SEM圖。激發光用綠色的箭頭表示。（b）腔模隨功率增加的紅移譜圖。（c）利用洛倫茲多峰擬合提取出的劈裂腔模的波長，線寬以及劈裂大小功率響應圖。（d）兩個劈裂模式的線寬差統計圖。光譜儀的分辨率是0.1nm。（e）腔模的劈裂統計圖。（f）腔模劈裂分佈以及半高斯擬合。
圖4. 耦合微腔依賴於激發功率的熒光光譜圖以及不同Ja,b下的擬合結果。紫色的虛線標記了腔模的共振 ωa=ωb。（a）Ja=0 且 Jb≠0。（b-c）JaJb>0。(c) Ja=Jb。(d) JaJb<0 且) Ja=-Jb。DP出現在共振的時候。
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