拓撲光子學在近十幾年得到了廣泛的關注及研究，尤其是在拓撲邊界態的應用研究上取得了重要的進展，例如單向傳輸、拓撲雷射等。除了邊界態外，最近國內外很多課題組提出在高階拓撲絕緣體中存在零維拓撲角態，並且已經在多種體系中實現，包括二維的光子晶體結構。這種零維的高階拓撲態為設計具有高品質因子的拓撲光學微腔提供了一個新的平臺。拓撲光學微腔不僅具有高品質因子、低模式體積，而且其模式受拓撲保護，因此對它的研究將會促進拓撲光學在腔量子電動力學、量子信息處理及新型光學器件等方面的應用。
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光物理重點實驗室許秀來研究員課題組，金奎娟研究員以及王燦研究員與北理工張向東教授，中科院半導體所牛智川研究員、倪海橋研究員合作設計並製備了基於二階拓撲角態的二維拓撲光子晶體微腔，通過與量子點集成，在二維拓撲光子晶體微腔中首次實現了低閾值雷射及其與量子點弱耦合的Purcell效應。中科院物理所謝昕和北京理工大學張蔚暄為共同第一作者。
在二維光學體系中，Wannier類型的零維拓撲角態可以由非平庸的邊界偶極子極化引入，它可以通過結合兩種具有相同能帶和不同拓撲相位的光子晶體實現。北京理工大學張蔚暄博士和張向東教授基於這種Wannier類型的零維拓撲角態設計了一種二維拓撲光子晶體微腔，並優化了這種微腔的品質因子，如圖1所示。這種二維拓撲光子晶體微腔具有高品質因子和低模式體積，能提供很強的光束縛能力，可以大大提高光與物質的相互作用，因此可用來研究腔量子電動力學及實現低閾值雷射等光學器件。中科院物理所許秀來課題組及合作者，在含有不同密度的InGaAs量子點樣品上製備了不同參數的拓撲微腔，並研究了它們的光學特性，如圖2所示。在高點密度的樣品上，他們觀測到了基於拓撲角態的低閾值雷射，如圖3（a）（b）所示，閾值約為1μW，這比目前利用拓撲邊界態實現的拓撲雷射要小三個數量級左右。這種拓撲雷射的高性能來源於拓撲角態的高品質因子和低模式體積，它將拓撲光學的應用縮小到納米尺度，證明了這種拓撲光子晶體微腔在拓撲納米光學器件上的應用前景。另一方面，在低點密度的樣品上，通過調節溫度使單個量子點與拓撲角態共振，觀測到了量子點螢光強度約4倍的增強，然後進一步測量了共振與非共振狀態下量子點的螢光壽命，觀測到了共振狀態下自發輻射速率的增強，從而證實了單量子點與拓撲微腔弱耦合的Purcell效應，如圖3（c）（d）所示。這是首次利用拓撲微腔研究腔量子電動力學，為之後拓撲量子光學界面的研究打下了基礎。同時由於這種拓撲光子晶體微腔易於集成，它對未來拓撲光學在量子信息處理及拓撲光學器件等領域的發展具有重要意義。相關結果分別發表在近期的Light: Science & Applications及Laser & Photonics Reviews雜誌上。
該工作得到了國家自然科學基金（批准號：11934019, 11721404, 51761145104, 61675228, 和11874419），國家重點研發計劃（批准號：2017YFA0303800 和2018YFA0306101），廣東省重點研發項目（批准號：2018B030329001），中科院B類先導專項（專項編號：XDB28000000），中科院科研儀器設備研製項目（項目編號：YJKYYQ20180036），中科院創新交叉團隊的支持。
圖1.（a）拓撲光子晶體微腔示意圖。（b）拓撲光子晶體的能帶結構圖。（c）零維拓撲角態的電場分布。（d）拓撲角態品質因子及頻率隨g（兩種光子晶體結構之間的距離，如插圖所示）的變化。
圖2.（a）共聚焦實驗裝置圖。（b）不同位置的螢光光譜。（c）來自於不同g的微腔的光譜。（d）含有不同數量的缺陷的微腔的螢光光譜。
圖3.（a,b）拓撲雷射。拓撲角態螢光強度（a）和線寬（b）隨激發功率的變化。閾值約為1μW。（c,d）單個量子點與拓撲角態的弱耦合。(c)不同溫度下的螢光光譜。當量子點（QD）與腔共振時，螢光強度增強約4倍。（d）共振（紅色）與非共振（黑色）狀態下的螢光衰減曲線。共振時的衰減速率約為非共振時的1.3倍。
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編輯：fengyao
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