北京大學(xué)物理學(xué)院古英副教授和龔旗煌院士等通過將分子放入納米金屬棒與納米金屬膜之間的納米量級的間隙中并與波矢匹配光纖結(jié)合，理論實現(xiàn)了有效的單光子發(fā)射和納米尺度一維低損傳導(dǎo)，朝著實現(xiàn)芯片單光子源邁出了重要的一步。該研究結(jié)果發(fā)表在2015年5月15日的《物理評論快報》上【Efficient Single Photon Emission and Collection Basedon Excitation of Gap Surface Plasmons，PRL114，193002(2015)】。

　　單光子發(fā)射在腔量子電動力學(xué)、單光子源和基于腔的激光等領(lǐng)域都有基礎(chǔ)的研究興趣。基于“珀塞爾效應(yīng)”的原理，通過改變電磁場的局域態(tài)密度可以增強自發(fā)輻射速率。為了實現(xiàn)光學(xué)器件芯片化，多種納米光子學(xué)結(jié)構(gòu)被提出來調(diào)控光的自發(fā)輻射和收集。介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的缺點是對光的自發(fā)輻射的加快不夠強，表面等離激元結(jié)構(gòu)可以極大提高光子發(fā)射速率，因此被提出來改善這一處境。其中間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)因為可以在金屬納米結(jié)構(gòu)的間隙中達(dá)到極強的光場局域性，因而成了實現(xiàn)單光子的超快發(fā)射的優(yōu)秀候選者。

左圖：量子發(fā)射體與納米棒-納米金屬膜間隙表面等離激元體系耦合，并與波矢匹配光纖結(jié)合

右圖：自發(fā)輻射速率加快隨著納米棒尺寸變化

　　通過結(jié)合間隙表面等離激元結(jié)構(gòu)中超高的光子發(fā)射率與低損耗光纖有效的提取，他們從理論上在金屬納米棒-納米膜結(jié)構(gòu)中提出了有效的單光子發(fā)射與一維納米尺度的傳導(dǎo)。他們發(fā)現(xiàn)總的光子發(fā)射加快和表面等離激元通道的光子衰減速率變快可以達(dá)到只有金屬納米膜時的幾十倍。特別地，他們利用波矢匹配光纖將表面等離激元通道的單光子導(dǎo)出，在波導(dǎo)中光的衰減速率可以達(dá)到真空中的290~770倍。這種新的機(jī)制將會對基于金屬的光學(xué)腔、芯片上的超亮單光子源以及芯片上的基于表面等離激元的納米激光器等研究領(lǐng)域有重要影響。

　　上述研究得到國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“培育項目”“創(chuàng)新研究群體項目”，以及科技部“973項目”、北京大學(xué)“人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理”國家重點實驗室的支持。