基于间隙等离激元强耦合的能带调控工程

Modern society is an information society. The amount of data produced by human beings increases exponentially, while the development of traditional devices is close to the physical limit, therefore the demand for small-scale, low-power, high-speed processors becomes more and more urgent. As a candidate scheme, surface plasmonics has developed rapidly in recent years. This proposal focuses on the physics of strong coupling of gap plasmon modes in periodic metallic groove array. Although optical systems are often analogized with electronic systems in condensed matter physics, due to their Fermion nature, however, it is difficult to realize strong coupling between the localized energy levels of the inner electrons with the outer Bloch bands. This proposal focuses on the strong interaction between local plasmon, plasmonic Bloch wave and gain medium in metallic periodic lattices, and understanding the physical mechanism of giant Rabi splitting. Furthermore, by solving the three−mode and four−mode coupled mode theory, this proposal will regulate and control the plasmonic band structure from flat band to the Dirac cone. In addition, a new tuning method will be studied in this proposal. Finally, based on the fundamental study of strong coupling, this proposal will design micro- and nano-optical devices for novel optical field control, such as spatial filters with specific functions (single frequency, multi-frequency, positive or negative frequency), all-optical switches, etc.

现代社会是信息社会，人类产生的数据量呈指数增长，因此对于小尺度、低功率、高速处理器件的需求变得愈加迫切。作为一个候选的方案，表面等离激元光子学近年来发展迅速。本申请主要研究周期排列的等离激元间隙模式与晶格模式强耦合的物理问题。虽然光学系统经常被当作凝聚态物质电子系统的一种类比，然而由于电子的费米子本性，原子内层电子的局域能级很难和外层电子布洛赫能带发生强耦合，因此这是光学系统不同于电子系统的专有性质。.本申请重点研究金属周期晶格中局域等离激元、等离激元布洛赫波和增益介质三者的强相互作用，理解其中巨大拉比劈裂产生的物理机制。进一步，通过求解三模和四模耦合模理论，本申请对等离激元能带结构实现从平带到狄拉克锥的调控。此外，本申请还将研究一种新型的调谐方法。最后，基于强耦合的物理基础，本申请将研究用于新型光场调控的微纳光学器件，如单频、多频、正或负频等特定功能的空间滤波器、全光开关等。

在信息时代，人类产生的数据量呈指数增长，因此对于小尺度、低功率、高速处理器件的需求变得愈加迫切。作为一个候选的方案，表面等离激元光子学近年来发展迅速。本课题主要研究周期排列的等离激元间隙模式与晶格模式相互作用的物理问题。虽然光学系统经常被当作凝聚态物质电子系统的一种类比，然而由于电子的费米子本性，原子内层电子的局域能级很难和外层电子布洛赫能带发生强耦合，因此这是光学系统不同于电子系统的专有性质。本课题的主要研究内容和申请书完全相同，包括等离激元超强耦合的获得与物理机制分析，解析模型分析，连续域束缚态的实现，狄拉克点的实现条件，与二维材料激子的强耦合等。所取得的重要结果有：通过借鉴量子光学JC模型，获得了超过600 meV拉比劈裂的超强耦合；通过局域模式对于晶格模式的劈裂，剥离出一维等离激元连续域束缚态，将Q值提高了近10倍；理论推导了多模耦合公式，获得了狄拉克点的实现条件，并进行了实验验证，进一步发现狄拉克点对应于能带的拓扑相变；基于等离激元——二维材料激子模式强耦合构建等离激元PT对称相变体系；利用啁啾金属光栅实现了二维材料宽带的荧光与二次谐波增强（400~1600 nm）。这些研究成果对于理解等离激元及其与物质的相互作用具有科学价值，在微纳光子学能带调控器件方面具有一定的应用前景。

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