奇異點（exceptional points）作為諧振耦合系統(tǒng)強(qiáng)、弱耦合的臨界點，是非厄米物理系統(tǒng)參數(shù)空間中本征態(tài)和本征值同時簡并的特殊狀態(tài)點，在超靈敏傳感、單向光傳輸、單模激光、渦旋光產(chǎn)生等經(jīng)典和量子光學(xué)領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用。然而，奇異點對外部微擾非常敏感的特點也意味著要將耦合量子系統(tǒng)制備在奇異點附近是非常困難的，這在很大程度上制約了奇異點量子效應(yīng)的觀測及其實際應(yīng)用。通過構(gòu)建高維奇異點空間，系統(tǒng)可被靈活調(diào)控在奇異點附近，但一般耦合系統(tǒng)其參數(shù)空間的維度通常受限于幾何空間維度。對于二體耦合量子系統(tǒng)，其奇異點空間的最大維度為二維，即奇異面（exceptional surface）。

近日，我校物理學(xué)院王雪華教授等人提出可以利用大尺寸自組裝量子點的非偶極效應(yīng)突破幾何空間維度的限制，在等離激元-量子點耦合量子系統(tǒng)中首次構(gòu)建三維量子奇異點空間。在該系統(tǒng)中，自組裝量子點波函數(shù)的不對稱性使其具有通常的偶極矩外，還存在四極矩、八極矩等高階躍遷矩。通過利用局域等離激元表面附近巨大的電磁場梯度，該研究揭示高階躍遷對自發(fā)輻射速率的貢獻(xiàn)可數(shù)倍于偶極躍遷。偶極-多極躍遷干涉導(dǎo)致的顯著非偶極效應(yīng)一方面增強(qiáng)了等離激元-激子相互作用，使其更容易達(dá)到強(qiáng)耦合；另一方面，更重要的是為調(diào)控等離激元-激子相互作用強(qiáng)度增加一個額外的自由度。其將等離激元-激子耦合量子系統(tǒng)中的二維奇異面拓展為三維奇異腔（exceptional chamber），使得耦合量子系統(tǒng)更容易制備于奇異點附近。該研究工作中展示的量子點非偶極效應(yīng)可與廣泛使用的基于金屬探針的掃描隧道顯微鏡技術(shù)相結(jié)合，為實驗上觀測奇異點的量子效應(yīng)和實現(xiàn)超靈敏量子傳感等量子應(yīng)用提出了一個重要的解決方案。

圖A：金屬銀殼-量子點耦合示意圖 圖B：耦合量子系統(tǒng)的三維奇異腔

該成果于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” 為題在線發(fā)表在期刊Nanophotonics上，我校博士生陸宇威和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉景鋒副教授為共同第一作者，王雪華教授為通訊作者。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃、廣東省自然科學(xué)基金、廣州市科技計劃、中山大學(xué)高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)以及光電材料與技術(shù)國家重點實驗等項目的大力支持。

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