光與物質(zhì)的相干相互作用是量子光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的核心部分。光子晶體微腔-量子點耦合系統(tǒng)具有較小的衰減、較小的模式體積以及可以片上集成的特性，因此為固態(tài)量子光學(xué)網(wǎng)絡(luò)提供了理想的平臺。而目前對該系統(tǒng)的研究主要集中在量子點的s-shell態(tài)上。由于s-shell態(tài)的波函數(shù)分布小，因此該系統(tǒng)可以通過偶極近似來描述。但是這導(dǎo)致了微腔-量子點耦合系統(tǒng)中的耦合強(qiáng)度較小。同時由于固態(tài)系統(tǒng)的特性，光子晶體微腔的模場分布很難被調(diào)節(jié)。雖然電磁場可以影響量子點的波函數(shù)，但是s-shell態(tài)較小的波函數(shù)分布導(dǎo)致調(diào)節(jié)效果不明顯。因此，如何實現(xiàn)微腔-量子點耦合系統(tǒng)中耦合強(qiáng)度的增益與高效調(diào)控，對深入研究光與物質(zhì)相互作用和量子光學(xué)網(wǎng)絡(luò)都十分重要。

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室許秀來課題組與納米物理與器件重點實驗室研究員顧長志及光物理重點實驗室研究員金奎娟等合作，在總結(jié)過去相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，在提出并實現(xiàn)了微腔-p-shell量子點耦合系統(tǒng)。同時，他們在理論和實驗上證實了該系統(tǒng)處于非偶極近似下，從而首次實現(xiàn)了微腔-量子點耦合系統(tǒng)的增益。其中得到的210μeV的耦合強(qiáng)度，是目前微腔-量子點耦合系統(tǒng)中最大的數(shù)值。文章發(fā)表在近期的《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，錢琛江為該論文第一作者。

研究人員為了實現(xiàn)非偶極近似下的微腔-量子點耦合系統(tǒng)，生長了一批具有低點密度、大尺寸的量子點樣品。同時通過高精度的微加工過程，制備了具有高品質(zhì)因子的L3型光子晶體微腔，其Q值可達(dá)10000。從光譜上看，這些量子點具有一個基態(tài)（s-shell）和至少兩個激發(fā)態(tài)（p-shell和d-shell）。由于激發(fā)態(tài)具有大的波函數(shù)擴(kuò)展，p-shell的抗磁遠(yuǎn)大于s-shell的抗磁，如圖1所示。其中，p-shell還包含一些特別的激子態(tài)，其在垂直磁場下具有抗磁反轉(zhuǎn)的行為，說明這些激子態(tài)的波函數(shù)有相當(dāng)一部分?jǐn)U展到了浸潤層之中。在這些特別的激子態(tài)上，研究人員觀測到了非偶極近似下的耦合增益。圖2(a)中展示了弱耦合下的結(jié)果。在微腔與點弱耦合作用下，激子態(tài)的輻射產(chǎn)生Purcell增益，其增益系數(shù)由耦合強(qiáng)度與腔膜的失諧決定。研究人員從實驗數(shù)據(jù)中提取出了耦合強(qiáng)度的大小，發(fā)現(xiàn)在小磁場下耦合強(qiáng)度隨磁場增加，如圖2(b)所示。此外，研究人員還觀測了強(qiáng)耦合下的結(jié)果，如圖3所示。在強(qiáng)耦合下，耦合強(qiáng)度通過對拉比劈裂進(jìn)行擬合得到，其隨磁場的變化與弱耦合下的結(jié)果基本一致。具體機(jī)理如圖4所示，由于微腔內(nèi)場分布不均勻，當(dāng)量子點的波函數(shù)隨磁場收縮時，波函數(shù)所在位置的電場反而會變強(qiáng)。因此，當(dāng)初始波函數(shù)擴(kuò)展足夠大時，系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度不會像過去工作中偶極近似下那樣隨磁場單調(diào)減小。而是在小磁場下，系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度將被增益。從實驗和理論結(jié)果中可以看出理論預(yù)測、弱耦合和強(qiáng)耦合下的數(shù)據(jù)相符。該工作將微腔-量子點耦合系統(tǒng)從基態(tài)推向高能級態(tài)，并且首次實現(xiàn)了耦合強(qiáng)度的增益與高效調(diào)控，解決了該系統(tǒng)中耦合強(qiáng)度低且難以調(diào)控的問題，對實現(xiàn)可控量子光學(xué)網(wǎng)絡(luò)、量子計算有重要意義。

該工作得到科技部（2016YFA0200400）、國家自然科學(xué)基金（11721404、 51761145104、 61675228、61390503）、中科院B類先導(dǎo)專項（XDB07000000、XDB28000000）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDJ-SSWSLH042）、中科院科研儀器設(shè)備研制項目（YJKYYQ20180036）以及中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊項目等的支持。

圖1 (a) s-shell在垂直磁場下的磁光光譜。其中包含一個強(qiáng)耦合過程。(b) p-shell在水平和垂直磁場下的磁光光譜。其中一些峰如①所示，在水平磁場下沒有變化，在垂直磁場下呈現(xiàn)正抗磁。而另一些特別的峰，如②③所示，在水平磁場下可以觀測到抗磁，并且在垂直磁場下呈現(xiàn)出抗磁反轉(zhuǎn)。

圖2 (a) p-shell激子態(tài)在垂直磁場下的抗磁反轉(zhuǎn)。(b) 根據(jù)實驗測得的p-shell激子態(tài)強(qiáng)度以及與腔膜的失諧，計算得到的耦合強(qiáng)度隨磁場的變化。、

圖3 (a) 3-5T垂直磁場下，光譜隨溫度的變化（上圖），及其強(qiáng)耦合下反交叉的擬合（下圖）。(b) 4.2K下的抗磁翻轉(zhuǎn)。(c) 耦合強(qiáng)度隨磁場的變化。黑點為強(qiáng)耦合的數(shù)據(jù)，灰線為圖2中弱耦合的數(shù)據(jù)。

圖4 (左) L3型光子晶體微腔的結(jié)構(gòu)示意圖和模場分布圖。(中)量子點波函數(shù)隨著磁場收縮示意圖。(右)耦合強(qiáng)度隨磁場變化。其中圓點為強(qiáng)耦合數(shù)據(jù)，紅線為圖2中弱耦合下的數(shù)據(jù)，藍(lán)線為偶極近似理論的預(yù)測。