北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”古英教授和龚旗煌教授等在腔量子电动力学和拓扑光子学的交叉研究中取得重要进展：提出了拓扑保护下的边界态主导的模式耦合机制，在此基础上发现了腔量子电动力学弱耦合体系在拓扑光子晶体中的珀塞尔增强的吸收减少效应，并实现了高光子收集效率。相关研究成果发表在物理学权威期刊《物理评论快报》上。[“Absorption Reduction of Large Purcell Enhancement Enabled by Topological State-Led Mode Coupling, Physical Review Letters, 126, 023901 (2021) DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.023901 ]。

   拓扑光子晶体的拓扑态具有光子无散射传播和免疫缺陷的拓扑保护特点，被越来越多地运用在微纳光子学和量子光学器件上，成为重要的光学新兴领域。微纳尺度的单光子源是片上量子信息处理的重要部分，利用微纳光子器件结构的局域场增强来改善单光子自发辐射是实现单光子源的关键原理，但无法避免散射和吸收造成的损耗，且在传输中单光子收集效率不高。研究团队首先提出了由拓扑态主导的模式耦合的原理，通过精心设计光学模式，将金属纳腔置于一维拓扑光子晶体中(图1(a))，通过拓扑态主导模式耦合的机制(图1(b))，实现了超大的珀塞尔增强，并得到了珀塞尔增强的吸收减少效应(图1(c, d))。同时，通过利用拓扑边界态作为光子传输通道，使得非吸收损耗的光子几乎全部被收集的高光子收集效率(图1(d))，最大光子收集率达到了79.5%。这种拓扑态主导模式耦合机制和相应的吸收减少效应，可以拓展到更高维度的光子结构上，对以后的拓扑光子晶体和微纳尺度腔量子电动力学的研究产生重要影响。同时，无散射的大珀塞尔增强可以应用在片上量子光源的制备上。

图1 (a) 嵌入金属纳腔的一维拓扑光子晶体示意图；(b) 拓扑态主导的模式耦合机制示意图；(c) 无拓扑光子晶体环境的金属纳腔中珀塞尔增强；(d) 拓扑保护下的金属纳腔的珀塞尔增强。

       北京大学博士生钱祉源是文章第一作者，本科生李智超是第二作者，古英教授为通讯作者。中山大学董建文教授参与合作研究。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委杰出青年基金、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心、广东省重点研发计划等的支持。