中山大学在构建高维量子奇异点空间的研究上取得重要进展

广州讯 奇异点（exceptional points）作为谐振耦合系统强、弱耦合的临界点，是非厄米物理系统参数空间中本征态和本征值同时简并的特殊状态点，在超灵敏传感、单向光传输、单模激光、涡旋光产生等经典和量子光学领域都有着非常重要的应用。然而，奇异点对外部微扰非常敏感的特点也意味着要将耦合量子系统制备在奇异点附近是非常困难的，这在很大程度上制约了奇异点量子效应的观测及其实际应用。通过构建高维奇异点空间，系统可被灵活调控在奇异点附近，但一般耦合系统其参数空间的维度通常受限于几何空间维度。对于二体耦合量子系统，其奇异点空间的最大维度为二维，即奇异面（exceptional surface）。

近日，中山大学物理学院王雪华教授等人提出可以利用大尺寸自组装量子点的非偶极效应突破几何空间维度的限制，在等离激元-量子点耦合量子系统中首次构建三维量子奇异点空间。在该系统中，自组装量子点波函数的不对称性使其具有通常的偶极矩外，还存在四极矩、八极矩等高阶跃迁矩。通过利用局域等离激元表面附近巨大的电磁场梯度，该研究揭示高阶跃迁对自发辐射速率的贡献可数倍于偶极跃迁。偶极-多极跃迁干涉导致的显著非偶极效应一方面增强了等离激元-激子相互作用，使其更容易达到强耦合；另一方面，更重要的是为调控等离激元-激子相互作用强度增加一个额外的自由度。其将等离激元-激子耦合量子系统中的二维奇异面拓展为三维奇异腔（exceptional chamber），使得耦合量子系统更容易制备于奇异点附近。该研究工作中展示的量子点非偶极效应可与广泛使用的基于金属探针的扫描隧道显微镜技术相结合，为实验上观测奇异点的量子效应和实现超灵敏量子传感等量子应用提出了一个重要的解决方案。

图A：金属银壳-量子点耦合示意图

图B：耦合量子系统的三维奇异腔

该成果于2021年6月3日以 “Quantum exceptional chamber induced by large nondipole effect of a quantum dot coupled to a nano-plasmonic resonator” 为题在线发表在期刊《Nanophotonics》上，中山大学博士生陆宇威和华南农业大学刘景锋副教授为共同第一作者，王雪华教授为通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省重点领域研发计划、广东省自然科学基金、广州市科技计划、中山大学高校基础科研业务以及光电材料与技术国家重点实验等项目的大力支持。（陆宇威）