近日，南京大学现代工程与应用科学学院张学进团队在量子光学与微纳光学领域取得重要突破。研究人员提出并验证了一种基于“时空协同”调控的新范式，通过利用表面等离子极化激元超构表面中的Anapole态与准连续域中的束缚态（Quasi-BICs），成功实现了对光学腔品质因子（Q）与模式体积（V）的独立调控。
团队这一创新策略打破了传统光学腔设计中Q与V相互制约的物理瓶颈，在室温下实现了六方氮化硼（h-BN）缺陷单光子源发射强度约三个数量级的提升，并可兼具高圆偏振度的手性发射。
Q与V独立调控：破解量子光源核心性能瓶颈
单光子源是量子计算、量子通信等量子信息处理技术的核心载体。构建兼具高亮度、高纯度以及高不可分辨性的理想单光子源，是迈向实用化量子科技的关键一步。为了提升单光子源的性能，光学腔常被用来增强光与物质的相互作用。然而，在微纳光腔的设计中，始终存在一个与生俱来的物理瓶颈问题：品质因子（Q）与模式体积（V）之间的相互制约。传统光腔中，高Q值往往伴随着较大的V（如介质腔），而极小的V通常导致低Q值（如金属腔）。这种Q与V的固有制约关系限制了光与物质相互作用的强度及其调控灵活性，使得在同一系统中同时实现极高的发光亮度（依赖于高珀塞尔因子，即Q/V）和超快的发射速率（依赖于Q以保证不可分辨性）成为量子光学领域发展的一大挑战。
图1 高亮度手性单光子源示意图
南京大学张学进团队近年来一直从事极小、超快尺度的光与物质相互作用的研究，致力于物理新机制的开发，推升能量转换效率，目标克服衍射极限的光量子芯片以及场增强效应带来的各类超高性能器件，促进小型化与集成化器件的实用化进程。在光与物质相互作用领域，对极窄间隙的精心构造是实现强场增强的必由之路，这不仅面临纳米制造的巨大技术挑战，而且长期束缚住了实际应用。
为此，团队前期打破了上述属于电偶极增强的传统机制带来的限制，在更高层次构建出场增强的新范式：高阶多极矩电磁增强机制。发现间隙越宽，表面增强拉曼散射的增强因子越大的异常现象，解决了自1997年以来单分子测量被极窄间隙“热点”所限制和约束的问题，为RNA、DNA、蛋白质等实用性生物大分子的检测铺平了道路[Phys. Rev. Lett. 134,136902(2025); Editors' Suggestion]，直接贡献于生物传感和健康医学领域；该高阶多极矩电磁增强机制亦令单层二维材料的非线性频率转换效率创下纪录[Laser Photonics Rev. 19, 2401850 (2025)]，为非线性集成光子芯片的研制奠定了坚实基础。
在最新研究中，团队针对量子光学领域这一难题，提出了一种基于“时空协同”的新范式，首创光腔Q和V的独立调控新路径，成功打破了传统光腔的性能约束。该团队设计了一种独特的表面等离子极化激元超构表面，利用准连续域中的束缚态（Quasi-BICs）机制在时间维度上灵活调控Q值，同时利用Anapole态激发高阶多极子在空间维度上极度压缩V值。这种对Q和V的独立调控能力，使得系统能够在保持宽腔线宽（有利于提高单光子不可分辨性）的同时，获得巨大的电磁场增强。
实验验证：室温下千倍增强与手性发射的同步实现
在此次实验中，研究团队选取层状六方氮化硼（h-BN）中的原子缺陷作为单光子源，将这一为数不多的可以在室温下工作的二维材料单光子源集成在表面等离子极化激元超构表面上，形成腔量子电动力学系统。与传统方案需要极窄间隙（<10nm）来压缩模式体积不同，该工作利用Anapole态引入的高阶电多极矩（如电四极EQ、电八极EO），在较宽的纳米间隙中依然实现了极强的场局域。同时，通过调节结构的几何非对称性，团队精准操控了Quasi-BIC的辐射损耗，使其与系统的耗散损耗完美匹配，从而最大化了珀塞尔因子。
图2 单光子源的远场光学表征。(a)单光子源的远场发射光谱。(b)单光子源的二阶关联函数测量。(c)单光子源强度的激发功率依赖关系。(d)单光子源的偏振图样。
实验结果显示，在室温条件下，该集成系统的单光子发射强度相比于二氧化硅基底上的样品提升了约3个数量级，同时保持了优异的单光子纯度[g(2)(0)=0.229]。更进一步，通过打破面内镜像对称性，该团队还实现了对特定圆偏振光（左旋或右旋）的选择性增强，获得了高亮度的手性单光子发射，其圆偏振度高达0.74。这表明，通过对结构对称性的精细设计，该平台不仅能增强发光效率，还能对光子的自旋自由度进行有效操控。
图3 单光子源的手性发射。（a）,（b）左旋（a）/右旋（b）圆偏振态的白光反射光谱。（c）腔本征偏振态随结构非对称度的变化。（d）,（e）左旋（d）/右旋（e）圆偏振态的角分辨单光子发射光谱。（f）动量空间Γ点的左旋/右旋圆偏振态的单光子发射光谱。
该研究从物理原理上解除了制约量子光源性能的Q-V相互依赖限制，为构建高性能、紧凑型的量子光源提供了全新的思路。其提出的利用高阶多极矩和时空协同调控光与物质相互作用的策略，不仅适用于量子光源，还可推广至光电探测、激射、光催化等涉及光与物质相互作用以及对场增强有需求的更为广泛的应用领域，具有重要的普适性意义。
论文链接：https://doi.org/10.1103/kf83-1b8s
本文链接：挣脱“光腔枷锁”！南大团队破解量子光源核心性能瓶颈http://www.sushuapos.com/show-11-33151-0.html
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