交通大學量子奈米光學研究室

By 吳致盛 助理教授

Introduction to NCTU Quantum Nano-Optics Group

雷射與半導體是上個世紀(1960年代之後)引領現在科技與科學進展的兩大基石。這兩者可以視為是物理學家引進(1920左右) 近代量子理論後，於科技上的重大突破。它們都運用了量子力學的基本性質－能階，也就是能量量子化。這一個基礎科學認知的突破，始於黑體輻射的研究，最終顛覆了人們對古典物理的認知，於科技上掀起的滔天巨浪，直至今日還是不斷地衝擊現代科學與工業，平均每三至五年，就有一個諾貝爾獎頒予相關的研究。然而，量子物理的奇幻性質，遠遠多於能階，最著名的就是困擾愛因斯坦的量子糾纏(entanglement)，這種現象可以無視距離與光速限制，連結兩個遙遠的光子對，被愛因斯坦稱為 “Spooky Action at a Distance” (詭異的作用力)。除此之外，還有許多量子力學的性質，還沒完整地運用到科技上，例如波函數(wavefunctions)、疊加性(superposition)、崩潰(collapse)、非局域性(nonlocality)、平行性(parallelism)等。如果能善加利用這些性質，我們將能掀起另一波量子革命，相關的領域有量子計算、量子通訊、量子感測器、量子人工智慧。運用量子特性的關鍵在於量子態，現在人們可以掌握的量子態主要有低溫超導量子態、量子點系統、與室溫下的光子系統。未來我們的目標是在光與物質的系統裡操縱這些量子態。 

我的研究興趣在於奈米尺度下光與物質的量子性質。我的專長為理論方面的奈米光學、凝態物理與量子光學。我對於物理基礎概念在光電科學中的實現特別感興趣，這些基礎概念包括量子、拓樸、相變、集模態、非平衡系統等。目前我的主要研究方向是:

     a)奈米光學：在奈米尺度控制光的流動。微小化元件一直是科技進展的驅動力。現代電子元件已達到奈米極限，
                 然而光學元件還有很大的空間。我們以進階電磁學技巧，同時發展解析與數值解的方法，計算奈米尺
                 度電磁學。我們研究的系統有奈米金屬表面電漿、二維材料集模態(電漿、聲子、激子) (圖一)。我
                 們使用解析的技巧計算電漿晶體模態 [1]與共振能量傳遞 [2]，同時也使用時域有限差分法(FDTD)做
                 驗證。

                                     Figure 1二維材料集模態。石墨烯電漿。

     b)光子與電漿晶體:所謂的光子與電漿晶體就是週期結構光學材料，運用固態物理中能帶結構的概念，來做光學元
                      件的設計。早期設計上主要利用週期結來控制特定頻段的光能不能通過材料。近來，越來越多
                      的設計與光子模態有關，其中一些特性與能帶的拓樸結構有關，使用的是動量空間的幾何性
                      質。拓樸性質已在凝態物理系統取得許多的突破，包含2016的諾貝爾物理獎。在光學系統裡，
                      我們提出了一種拓樸的電漿晶體，可以自發地產生旋光奈米雷射 [1](圖二)。

                                         Figure 2 自發性旋光奈米雷射 [1]。
     c)量子奈米光學:

          ·      主動式量子奈米光學系統—奈米雷射。我們研究世界上最小的雷射系統，由增益材料(Gain
                 Medium)與表面電漿耦合所形成。我們以量子密度矩陣的方式，研究奈米雷射可能的量子性質，這些
                 特性來自於次波長電場與量子材料，同時我們結合了電漿晶體與非線性的概念，研究非平衡系統裡的
                 拓樸雷射。

          ·      量子效應如何改變奈米光學。奈米尺度的電場可與許多量子自由度耦合，例如電子能階、角動量量子
                 數、物質的能帶結構與幾何(貝瑞)相位。例如在二維材料中(圖三)，可藉由奈米金屬球的表面電漿電
                 場控制二維材料的旋光性質，這種旋光與能帶結構的貝瑞相位有關，是新穎的量子現象。

光與物質強耦合下所形成的新量子態。在奈米尺度下，光可以與物質有很強的交互作用，在基礎科學上，這些量子態與超導體一樣，都是對稱性破缺產生的量子態，在奈米光學裡，這樣的量子態有許多未知的性質，需要我們去探索。而強耦合的量子態，也是量子電腦裡，實現量子位元操作的關鍵。

Figure 3 二維材料的奈米光學。 [3]

References

[1]	J.-S. Wu, Vadym Apalkov and Mark I. Stockman, "Topological Spaser," Phys. Rev. Lett., vol. 124, p. 017701, 2020.
[2]	J.-S. Wu, Y.-C. Lin, Y.-L. Sheu and L.-Y. Hsu, "Characteristic Distance of Resonance Energy Transfer Coupled with Surface Plasmon Polaritons," J. Phy. Chem. Lett., vol. 9 (24), pp. 7032-7039, 2018.
[3]	R. Ghimire, J.-S. Wu, V. Apalkov and M. I. Stockman, "Topological nanospaser," Nanophotonics, vol. 9, no. 4, pp. 865-874, 2020.