中国科学院物理研究所许秀来课题组与顾长志研究员、金奎娟研究员等合作，首次提出并实现了微腔-p-shell量子点耦合系统。他们在理论和实验上证实了该系统处于非偶极近似下，从而首次实现了微腔-量子点耦合系统的增益。其中得到的210 μeV的耦合强度，是目前微腔-量子点耦合系统中最大的数值。

该工作将微腔-量子点耦合系统从基态推向高能级态，并且首次实现了耦合强度的增益与高效调控，解决了该系统中耦合强度低且难以调控的问题。

光与物质的相干相互作用是量子光学网络中的核心部分。光子晶体微腔-量子点耦合系统具有较小的衰减、较小的模式体积以及可以片上集成的特性，因此可为固态量子光学网络提供理想的平台。而目前对该系统的研究主要集中在量子点的s-shell态上。

由于s-shell态的波函数分布小，因此该系统可以通过偶极近似来描述。但是这导致了微腔-量子点耦合系统中的耦合强度较小。同时由于固态系统的特性，光子晶体微腔的模场分布很难被调节。虽然电磁场可以影响量子点的波函数，但是s-shell态较小的波函数分布导致调节效果不明显。因此，如何实现微腔-量子点耦合系统中耦合强度的增益与高效调控，对深入研究光与物质相互作用和量子光学网络都十分重要。

研究人员为了实现非偶极近似下的微腔-量子点耦合系统，生长了一批具有低点密度、大尺寸的量子点样品。同时通过高精度的微加工过程，制备了具有高品质因子的L3型光子晶体微腔，其Q值可达10000。从光谱上看，这些量子点具有一个基态（s-shell）和至少两个激发态（p-shell和d-shell）。

由于激发态具有大的波函数扩展，p-shell的抗磁远大于s-shell的抗磁，如图1所示。其中，p-shell还包含一些特别的激子态，其在垂直磁场下具有抗磁反转的行为，说明这些激子态的波函数有相当一部分扩展到了浸润层之中。在这些特别的激子态上，研究人员观测到了非偶极近似下的耦合增益。

图1 (a) s-shell在垂直磁场下的磁光光谱。其中包含一个强耦合过程；(b) p-shell在水平和垂直磁场下的磁光光谱。其中一些峰如①所示，在水平磁场下没有变化，在垂直磁场下呈现正抗磁。而另一些特别的峰，如②③所示，在水平磁场下可以观测到抗磁，并且在垂直磁场下呈现出抗磁反转。

图2(a)展示了弱耦合下的结果。在微腔与点弱耦合作用下，激子态的辐射产生Purcell增益，其增益系数由耦合强度与腔膜的失谐决定。研究人员从实验数据中提取出了耦合强度的大小，发现了在小磁场下耦合强度随磁场增加，如图2(b)所示。

图2 (a) p-shell激子态在垂直磁场下的抗磁反转；(b) 根据实验测得的p-shell激子态强度以及与腔膜的失谐，计算得到耦合强度随磁场的变化。

此外，研究人员还观测了强耦合下的结果，如图3所示。在强耦合下，耦合强度通过对拉比劈裂进行拟合得到，其随磁场的变化与弱耦合下的结果基本一致。

图3 (a) 3~5 T垂直磁场下，光谱随温度的变化，及其强耦合下反交叉的拟合；(b)4.2 K下的抗磁翻转；(c)耦合强度随磁场的变化。黑点为强耦合的数据，灰线为图2中弱耦合的数据。

具体机理如图4所示，由于微腔内场分布不均匀，当量子点的波函数随磁场收缩时，波函数所在位置的电场反而会变强。因此，当初始波函数扩展到足够大时，系统的耦合强度不会像过去工作中偶极近似下那样随磁场单调减小。而是在小磁场下，系统的耦合强度将逐渐增加。从实验和理论结果中可以看出理论预测、弱耦合和强耦合下的数据相符合。

图4 (左) L3型光子晶体微腔的结构示意图和模场分布图；(中)量子点波函数随着磁场收缩示意图；(右)耦合强度随磁场先变化。其中圆点为强耦合数据，红线为图2中弱耦合下的数据，蓝线为偶极近似理论的预测。

该工作以“Enhanced Strong Interaction between Nanocavities and p-shell Excitons Beyond the Dipole Approximation”为题发表在PHYSICAL REVIEW LETTERS [122, 087401 (2019)]上，钱琛江博士为该论文第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金、中科院先导、中科院前沿科学重点研究项目、中科院科研仪器设备研制项目以及中科院创新交叉团队等项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.087401