本文来自微信公众号：X-MOLNews
单光子发射器是量子通信、量子计算等领域中的核心器件。然而常见的量子发射器（如量子点、单分子等）自身通常具有低发射率、非定向辐射、偏振态不稳定等特点，通常难以直接在各项量子技术中使用。研究发现通过在量子发射器周围引入纳米天线（Nano antenna）可以显著改变量子发射器的自发辐射，即所谓的珀塞尔效应（Purcell effect）。随着微纳加工技术的发展，加工制备由亚波长纳米结构单元组成的超表面成为可能，设计不同尺寸、排布的结构单元能够调节散射场的振幅和相位，从而调节光的偏振、方向等参量。利用超表面的设计方法可以为新型高性能量子发射器的开发提供新的思路。
近日，上海交通大学赵长颖教授与南丹麦纳米光学中心主任Sergey I. Bozhevolnyi院士团队的Fei Ding助理教授等人合作研制出基于超表面的新型高性能单光子发射器，实现了在室温条件下产生带有自旋角动量（Spin Angular Momentum, SAM）编码的单光子束流。该单光子发射器无需传统的四分之一波片、偏振片即可在微纳尺寸直接实现偏振态的调控，有利于促进量子发射器在集成光学系统、纳米光学芯片中的应用。该研究在量子发射器周围引入超表面结构作为微纳天线，将量子发射器的辐射耦合为表面等离激元，继而通过精准地设计周向纳米结构的尺寸来调节其不同方向散射场的相位，当任何方位两垂直方向上散射的电磁场均具有90°相位差时即具备了实现圆偏振态的条件，如图1所示。
图1. 圆偏振态单光子发射器示意图及设计原理
研究人员首先利用带有多个氮-空位中心（Nitrogen-vacancy centers）的纳米金刚石（Nanodiamond）验证所提设计思路的可行性。如图2所示，设计并制备了右旋和左旋两种手性的超表面耦合发射器，通过精准定位将微纳结构加工在提前选中的纳米金刚石周围。利用傅里叶变换测量远场的发射图谱，在中心位置得到了聚集的光斑，其FWHM（full width at half-maximum）约为6°，相应的峰值位置分别对应优异的右旋和左旋偏振态（≥0.8），收集效率大于92%。
图2. 实现SAM-coded多光子发射器。（a）右旋样品的扫描电子显微镜图片；（b）测量的远场强度分布；（c）对应的偏振态分布；（d）3D强度和偏振态分布；（e）-(h)左旋手性的样品及测试结果。
该研究进一步地利用带有单个氮-空位中心（Single NV centers）的纳米金刚石作为单光子发射器，由于其自身发射光强度较弱，需要通过扫描荧光发射图谱来精准确定其相对位置。如图3所示，量子发射器自身的发射为四周均匀分布，并无稳定的圆偏振态出现。在耦合超表面结构之后，远场发射图中出现中心的聚集光斑，表现出发射光具有明显的方向性，通过测量Stokes参数证实了峰值位置为圆偏振态。同时通过二阶关联函数可以看出耦合超表面前后g2(t)均小于0.5，证明了单光子的属性。由发射谱可以看出，引入所设计的微纳结构能够增强光子束的强度，该结构计算所得的珀塞尔因子（Purcell factor）约为4。
图3. 单光子发射器性能测试。与微纳超表面耦合前：（a）扫描荧光图；（b）远场发射强度分布；（c）偏振态；（d）二阶关联函数；对应的耦合后：（e）-(h); (i) 耦合前后的发射谱；（j）3D远场强度分布及偏振态；（k）耦合前后的发射强度饱和曲线。
总结
该研究设计和加工制备了一种基于超表面的新型高性能单光子发射器，实现了在室温条件下产生带有自旋角动量的单光束流。所提出的设计方法及所设计制备的带有圆偏振态的单光子发射器为在量子通信、量子计算和集成光学等领域的应用提供了新的自由度，同时由于手性的实现无需强磁场和低温环境为手性量子光学（chiral quantum optics）的研究提供了新的思路。相关工作发表在
Advanced Materials 上。该成果获得广泛关注，被Nature Reviews Physics 以Research Highlights专栏予以详细报道: “…尽管需要精密的加工，该研究摆脱了对强磁场和超低温的依赖，使得其有望在量子通信中得到实际应用”。[1]上海交通大学博士生阚银辉为论文的第一作者，南丹麦纳米光学中心Sergey I. Bozhevolnyi院士和Fei Ding 助理教授为论文通讯作者。该项研究受到国家自然科学基金重点项目(Grant No. 51636004)、国家留学基金委(Grant No. 201806230179)、European Research Council(Grant No. 341054)、丹麦Villum Fonden基金等资助。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Metasurface-Enabled Generation of Circularly Polarized Single Photons
Yinhui Kan, Sebastian K. H. Andersen, Fei Ding,* Shailesh Kumar, Changying Zhao, Sergey I. Bozhevolnyi*
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201907832
参考资料：
1. Nanoridges for single-photon emission. Nat. Rev. Phys., 2020, 2, 175, DOI: 10.1038/s42254-020-0164-x
https://www.nature.com/articles/s42254-020-0164-x
导师介绍
Sergey I. Bozhevolnyi 教授
https://www.sdu.dk/staff/seib
Fei Ding 助理教授
https://www.sdu.dk/staff/feid
赵长颖 教授
http://me.sjtu.edu.cn/teacher_directory1/zhaochangyin.html
