Optical Tellegen metamaterial with spontaneous magnetization
提出一种基于双材料纳米圆柱体的的三维超材料，利用自发磁化在可见光范围内实现各向同性且共振的 Tellegen 响应，借助磁 Weyl 半金属实现比自然材料高近四个数量级的体效应磁电效应。
2023-07-18 physics.app-ph physics.optics
Spontaneous emission dynamics of $Eu^{ 3+}$ ions coupled to hyperbolic metamaterials
具有可调电磁特性的亚波长纳米结构系统，如双曲型超材料（HAMTS），为定制自发发射过程提供了一个有用的平台。在这里，我们研究了一个系统，包括$Eu^{ 3+}(NO_{3})_{3}6H_{2}O$纳米晶体上的HMM结构，其特征在于在多孔$Al_{2}O_{3}$矩阵的Ag-纳米线的六边形阵列。HMM偶联的$Eu^{ 3+}$离子表现出高达2.4倍的衰减速率的增加，伴随着$^{ 5}D_{0}\rightarrow$ $^{ 7}F_{2}$跃迁的发射速率的增强。使用时域有限差分建模，我们证实了这些观察与所看到的$Eu^{ 3+}$离子在HMM附近的光子态密度的增加。我们的研究结果表明，阻碍可以作为一个有价值的工具，以控制从弱跃迁的发射，因此暗示在纳米光电子学和量子器件的稀土离子的更实际的应用路线。
2021-01-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Spontaneous isotropy breaking for vortices in nonlinear left-handed metamaterials
研究左手非线性超材料中涡旋光束传播时的自发各向同性破缺，用 Landau-Ginzburg 有效场论解释 $Q$、$2Q$ 或 $3Q$ 边多边形图样的形成，并以圈修正准确预测数值结果。
2019-12-02 cond-mat.other physics.optics quant-ph
Control of Förster energy transfer in vicinity of metallic surfaces and hyperbolic metamaterials
光学腔、等离子体结构、光子带晶体、界面，以及一般来说，具有均匀或空间不均匀介电常数的任何光子介质（包括超材料）都具有与真空中不同的光子态局部密度。已知这些修改的态密度环境控制自发发射的速率和角分布。在本研究中，我们提出的问题是否接近金属和超材料表面可以影响其他物理现象的基本和实际的重要性。我们发现，相同的基板和相同的非局部介电环境，提高自发发射，也抑制福斯特能量转移到一个薄的聚合物薄膜掺杂的供体和受体分子之间。这一发现与以下事实相关：在电介质中，自发发射的速率与折射率n成正比，而施主-受主能量转移的速率（在受主随机分布的固溶体中）与n^-1.5成正比。这种启发式的对应关系表明，在常规电介质中依赖于n的其他经典和量子现象也可以用定制的超材料、等离子体结构和空腔来控制。
2015-04-16 physics.optics
Generation of photon-plasmon quantum states in nonlinear hyperbolic metamaterials
我们通过非线性等离子体和超材料纳米结构中的自发波混合开发了集成成对光子等离子体激元产生的一般理论框架，通过电磁格林函数严格解释了量子机制中的材料色散和损耗。我们在具有70%内部量子效率的层状金属-介质结构中发现了光子-等离子体激元关联，并揭示了双曲型超材料中由于拓扑转变而导致的宽带产生增强的新机制。
2016-01-29 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
NV-Metamaterial: Tunable Quantum Hyperbolic Metamaterial Using Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
我们发现，金刚石中的氮空位（NV）中心可以产生一种新的量子双曲超材料。我们证明，双曲线色散关系的NV中心的金刚石可以工程和动态调谐通过施加磁场。这种具有可调负折射窗口的量子双曲超材料允许构建超过衍射极限的超透镜。除了亚波长成像之外，这种NV超材料还可以用于自发发射增强、热传输和声学、模拟宇宙学和寿命工程。因此，我们的建议将两个热点领域联系起来，即，NV中心和超材料。
2018-02-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Origin of folded bands in metamaterial crystals
最近，人们已经发现，数值的超材料晶体的光谱可能包含对频带内布里渊区消失。我们观察到，这种系统的波动方程本质上是非厄米特的，但PT对称。我们表明，实频谱对应的PT对称解的波动方程。在布里渊区显然没有解决方案存在的那些动量，出现对自发破缺PT对称的复频率解决方案。
2017-10-25 cond-mat.other physics.optics
Enhanced and directional single photon emission in hyperbolic metamaterials
我们提出了一种方法来增强和引导的自发发射从孤立的发射器嵌入双曲型超材料到单光子束。该方法依赖于双曲型超材料的集体等离子体布洛赫模式，该模式在称为量子共振锥的高度定向光束中传播。我们提出了一个泵浦方案，使用双曲型超材料的透明窗口，发生在拓扑转变附近。最后，我们解决的挑战，这些宽带谐振锥外耦合到真空中使用的介质靶心光栅。我们给出了一个详细的分析淬火和设计的超材料有一个巨大的Purcell因子在一个宽的带宽，尽管在金属的损失。我们的工作应该有助于激发实验中的宽带发射器，如氮空位中心的单光子源的发展。
2013-01-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Spontaneous Emission in Nonlocal Materials
光与物质的相互作用可以被周围的环境显著地改变。在这里，我们报告的第一个实验观察分子自发发射内的高度非局部超材料的基础上的等离子体纳米棒组件。我们发现，发射过程不仅是由其局部有效介质色散的拓扑结构，但也由复合材料的非局部响应，使不同的几何参数，但相同的局部有效介质属性的超材料表现出不同的Purcell因子。一个创纪录的高增强的衰变率观察，在协议与开发的定量描述的Purcell效应在非本地介质。工程材料的非定域性为量子电动力学引入了额外的自由度，从而在量子信息处理、光化学、成像和传感中实现了新的应用。
2016-05-16 physics.optics
Microscopic model of Purcell enhancement in hyperbolic metamaterials
我们从理论上研究了一个显着的增强自发发射的超材料与双曲色散建模为立方晶格的各向异性共振偶极子。我们分析了Purcell因子对晶格单元中的源位置的依赖性，并证明了实现大Purcell因子和Lamb位移的最佳发射器位置在局部场最大值中。我们表明，计算出的格林函数具有特征的十字形，空间调制由于结构离散。我们的基本微观理论为快速发展的双曲型超材料领域提供了基本的见解。
2012-05-17 cond-mat.mes-hall physics.optics
Purcell Enhancement of Parametric Luminescence: Bright and Broadband Nonlinear Light Emission in Metamaterials
单光子源和相关双光子源是光信息系统的重要组成部分。非线性下转换光源是单光子和纠缠光子对的鲁棒且稳定的发射器。然而，由低对称性非线性晶体的性质决定的下变频光发射的速率通常非常小，导致器件设计和集成的显著约束。在本文中，我们表明，原则自发发射控制（即Purcell效应）的纳米结构，如超材料，可以概括为描述增强非线性光产生过程，如参量下转换。我们发展了一个新的理论框架，在一般的各向异性，色散和损耗介质中的量子非线性发射。我们进一步发现双曲型色散介质中的自发参量下转换是宽带的，并且没有相位失配。我们预测，在实验现实的纳米结构中，下转换的发射率提高了1000倍，每秒可达105个光子对。我们的理论形式和方法的Purcell增强的非线性光学过程，提供了一个框架，描述量子非线性光学现象在复杂的纳米光子结构。
2017-09-20 physics.optics
Hyperbolic Metamaterial Resonator-Antenna Scheme for Large, Broadband Emission Enhancement and Single Photon Collection
我们模拟了耦合到平面双曲超材料HMM谐振器的碳化硅纳米晶体中色心单光子发射的宽带增强。该设计基于将单光子发射器定位在HMM谐振器内，该谐振器由与碳化硅材料匹配的介电指数制成。宽带响应是由高折射率隐马尔可夫模型腔中损耗法布里-珀罗结构模式的连续共振峰引起的。为了捕获单光子发射体自发发射中的这种宽带增强，我们在HMM谐振器的顶部放置了一个简单的基于金的圆柱形天线。我们分析了这种隐马尔可夫耦合天线结构的性能方面的Purcell增强，量子效率，收集效率和整体收集光子率。对于相对于界面的垂直偶极取向，HMM耦合天线谐振器导致显著大的自发发射增强，具有250量级的Purcell因子以及非常高的平均总收集光子率，在700 nm至1000 nm的宽发射光谱上约为30的CPR。峰值CPR在900 nm处增加到约80，对应于碳化硅量子发射体的发射。考虑到先前的计算设计已经报道了在600 nm至800 nm的氮-空位中心发射光谱上的最大平均CPR为25，在650 nm处的最高值为约40，这是现有技术的改进。
2018-05-24 physics.optics quant-ph
Control of the local photonic density of states above magneto-optical metamaterials
本文研究外磁场作用下磁光超材料附近的局域光子态密度，证明通过改变磁场取向或大小可在窄或宽光谱范围内高效调控 LDOS，为深亚波长尺度主动控制光子态密度提供途径。
2024-05-24 cond-mat.mes-hall physics.optics
Tunable hyperbolic metamaterials for brightening single-photon emission
Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）；Brno University of Technology（布尔诺理工大学）
本研究通过系统评估双曲超材料中自发辐射增强与光子输出耦合，提出辐射Purcell因子作为更可靠品质因数，并利用相变材料实现动态可调谐、明亮的单光子源。
2026-10-14 physics.optics
Selectively strong coupling MoS$_2$ excitons to a metamaterial at room temperature
双曲型超材料（HMM）附近的光发射体显示出从自发衰减率增强到强耦合的一系列量子光学现象。在本研究中，我们将单层二硫化钼（MoS $_2$）发射极整合在隐马尔可夫模型的近场区。MoS $_2$单分子层具有A和B激子，其在可见光谱的红色区域发射。我们发现，B激子耦合到HMM不同相比，A激子。所制造的HMM在2.13 eV处从椭圆色散介质转换为双曲色散介质。B激子与HMM模的选择性耦合归因于跃迁的内建场梯度。相对于A激子，B激子能量接近HMM的转变点。因此，HMM模式更多地耦合到B激子，并且超材料用作选择性耦合器。耦合强度的计算表明，耦合是2.5倍强的B激子相对于A激子。HMM的高近场、大振幅和MoS $_2$激子的面内跃迁偶极矩，导致B激子的强耦合，形成轻物质杂化态。测量的差分反射和光致发光光谱表明存在混合光物质状态，即激子-极化激元。在室温下观察到至少129 meV的拉比分裂。低温光致发光谱测量显示出模式反交叉，这是杂化态的特征。我们的研究结果表明，隐马尔可夫模型作为一个能量选择耦合器的多激子系统的MoS $_2$。
2022-04-28 physics.optics
Maximal Spontaneous Photon Emission and Energy Loss from Free Electrons
自由电子辐射，如切伦科夫，史密斯-珀塞尔，和过渡辐射可以极大地影响结构化的光学环境，如已经证明在各种极化激元，光子晶体，和超材料系统。然而，最终可以从任意材料结构附近的自由电子中提取的辐射量仍然难以捉摸。在这里，我们推导出一个基本的上限的自发光子发射和能量损失的自由电子，无论几何形状，阐明了材料的性能和电子速度的影响。我们获得的实验证据，我们的理论与史密斯-珀塞尔辐射的定量测量。我们的框架允许我们做出两个预测。一个是一种新的辐射操作制度-在亚波长分离，慢（非相对论）电子可以实现比快（相对论）电子更强的辐射。第二种是在无耗材料的极限下发射几率的发散。我们进一步揭示了这种发散可以通过将自由电子耦合到光子束缚态来实现。我们的研究结果表明，从微波到软X射线制度的紧凑和有效的自由电子辐射源可能是可以实现的，而不需要额外的加速电压。
2019-01-19 cond-mat.mes-hall physics.optics
