近日，北京理工大学物理学院张向东教授课题组同中科院物理所许秀来研究员课题组以及半导体所牛智川研究员课题组合作，在拓扑激光和腔量子电动力学研究方面取得新进展。他们基于Wannier类型的零维拓扑角态，设计并制备出了具有高品质因子和小模式体积的二维拓扑光子晶体微腔，观测到了基于拓扑角态的低阈值激光，并证实了单量子点与拓扑微腔弱耦合的Purcell效应。相关结果分别发表在近期的Light: Science & Applications及Laser & Photonics Reviews上。

　　拓扑学关注的是物体在连续形变下所保持的全局不变的性质。将拓扑学的思想引入到光学微纳结构的设计，对实现鲁棒性的光场调控具有重要的意义，如实现背散射免疫的电磁波传输等。最近，以色列海法研究所的研究人员及其合作者利用拓扑保护的边界态构造了闭合环形腔，并利用该环形腔实现了激光效应，即所谓的拓扑激光(Science 359, eaar4003; eaar4005 (2018))。相比于传统激光器，基于拓扑边缘态的激光器在外界无序扰动的情况下，具有能量损耗低，激光发射效率高等优势。然而，目前所设计的拓扑激光器尺寸较大，阈值高，通常需要几毫瓦的泵浦才能产生激光效应。进一步实现低阈值的纳腔激光，对实现高效可集成的拓扑光源具有重要的意义。

　　另一方面，最近的理论和实验证明，在高阶拓扑绝缘体中存在零维拓扑角态。基于Wannier类型的零维拓扑角态，我们理论设计出了一种二维拓扑光子晶体微腔，并优化了其品质因子。进一步我们理论证明，将所设计的拓扑微腔和InGaAs量子点相结合可实现低阈值的拓扑纳腔激光。实验上，我们在含有不同密度的InGaAs量子点样品上制备了不同参数的拓扑微腔，并观测到了激射现象。其激光阈值仅为1个微瓦，比目前利用拓扑边界态实现的拓扑激光要小三个数量级左右。这种拓扑激光的高性能来源于拓扑角态的高品质因子和小的模式体积，它将拓扑光学的应用缩小到纳米尺度，显示了这种拓扑光子晶体微腔在拓扑纳米光学器件上的应用前景。相关结果在近期Light: Science & Applications上发表。北京理工大学课题组负责相关理论方面的内容，实验部分由中科院物理所和半导体所课题组完成。北京理工大学张蔚暄博士和中科院物理所博士生谢昕为共同第一作者。北京理工大学张向东教授、中科院物理所许秀来研究员以及半导体所牛智川研究员为共同通讯作者。

　　进一步，我们在低点密度的样品上，通过调节温度使单个量子点与拓扑角态共振，观测到了量子点荧光强度约4倍的增强。同时测量了共振与非共振状态下量子点的荧光寿命，观测到了共振状态下自发辐射速率的增强，从而证实了单量子点与拓扑微腔弱耦合的Purcell效应。这是首次利用拓扑微腔研究腔量子电动力学，为之后拓扑量子光学的研究打下了基础。同时由于这种拓扑光子晶体微腔易于集成，它对未来拓扑光学在量子信息处理及拓扑光学器件等领域的发展具有重要意义。相关结果发表在近期Laser & Photonics Reviews上。中科院物理所博士生谢昕和北京理工大学张蔚暄博士为共同第一作者。

　　这些工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省重点研发项目、中科院B类先导专项、中科院科研仪器设备研制项目以及中科院创新交叉团队的支持。

图（1）理论设计和实验制备的具有零维拓扑角态二维光子晶体微腔

图（2）（a,b）拓扑激光。拓扑角态荧光强度（a）和线宽（b）随激发功率的变化。阈值约为1μW。（c,d）单个量子点与拓扑角态的弱耦合。(c)不同温度下的荧光光谱。当量子点（QD）与腔共振时，荧光强度增强约4倍。（d）共振（红色）与非共振（黑色）状态下的荧光衰减曲线。共振时的衰减速率约为非共振时的1.3倍

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　　https://www.nature.com/articles/s41377-020-00352-1

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.201900425