Dynamical control of light-matter interaction through coherent multipolar scattering in broken symmetry metasurfaces
Aligarh Muslim University（阿利加穆斯林大学）
该研究通过相位分辨多极分析，利用破对称硅介质超表面实现磁偶极子与磁四极子模式杂化，借助相干磁多极干涉增强铒离子自发辐射，为集成量子光子器件提供设计准则。
2026-08-03 physics.optics
Broadband forward scattering of light by plasmonic balls: role of multipolar interferences
该研究提出由百余银纳米颗粒组成的等离激元球，通过多极干涉实现可见光全波段高效宽带前向散射，抑制后向散射，可作为自组装超表面的元原子。
2023-12-21 cond-mat.soft physics.optics
MENP: An Open-Source MATLAB Implementation of Multipole Expansion for Applications in Nanophotonics
在现代纳米光子学中，多极干涉对于实现以具有前所未有功能的超表面为代表的新型光学器件起着不可或缺的作用。不仅要设计构成这种器件的亚波长结构，而且要实现和解释纳米光子学中的非自然现象，非常需要一种有效地进行多极展开的程序。MENP是一个MATLAB程序，用于计算纳米光子谐振器中诱导的电流密度分布对光散射的多极贡献。MENP的主要目的是进行用于全场模拟的刚性多极展开的后处理，其原则上提供所有近场和远场相互作用的信息（例如，作为总散射截面）。MENP将总散射截面分解为部分散射截面，这部分散射截面由电偶极子、磁偶极子和高阶项组成。我们通过比较理想和现实的纳米球与米氏理论得到的结果验证程序。我们还证明了潜在的电磁波分析的anapole状态通过计算多极展开下的长波长近似，使我们能够引入环形偶极矩。
2020-11-07 cond-mat.mes-hall physics.optics
Multipolar second-harmonic generation by Mie-resonant dielectric nanoparticles
通过结合分析和数值方法，我们研究了由中心对称材料制成的单个高折射率介电纳米颗粒的共振增强二次谐波产生（SHG）。考虑到体和表面的非线性，我们描述了二次谐波非线性散射从硅纳米粒子光激发附近的磁和电偶极共振。我们讨论了不同非线性源的贡献，以及低阶光学Mie模对产生的远场特性的影响。我们表明，多极扩展的辐射场是占主导地位的偶极和四极模式（两个轴对称的电四极，电偶极子，和磁四极），这些模式的干扰，可以确保非线性散射的方向性。开发的多极分析可以解释的非线性散射的远场测量是有益的，它提供了前瞻性的见解CMOS兼容的非线性纳米天线的设计完全集成与硅基光子电路，以及新的非线性诊断方法。
2017-11-12 physics.optics
Scalable quantum interference in integrated lithium niobate nanophotonics
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
针对集成铌酸锂量子光子系统的可扩展性瓶颈，研究人员在纳米光子铌酸锂器件中设计三波混频，集成多个近乎完美的光谱可分宣告式单光子源，首次演示了该平台上的多源玻色子干涉，助力可扩展量子光子学平台开发。
2025-07-17 physics.optics quant-ph
Tuning Multipolar Mie Scattering of Particles on a Dielectric-Covered Mirror
本文提出将硅微球置于介质覆盖反射镜上，通过 Mie 共振与驻波、波导模式耦合来调控多极散射，并展示中红外单粒子分子指纹检测与光排斥力应用。
2023-11-11 physics.app-ph physics.optics
Inverse design of Mie resonators with minimal backscattering
School of Physics and Engineering, ITMO University（ITMO大学物理与工程学院）
本文通过逆设计方法实现了具有接近零后向散射的Mie共振器，利用广义Kerker效应和多极消去条件，为纳米光子结构设计提供了新思路。
2024-09-10 physics.optics
Quantum interference of electromechanically stabilized emitters in nanophotonic devices
远距离物质量子比特之间的光子介导耦合可以实现长距离的安全通信，分布式量子计算方案的实现，以及多体量子动力学新机制的探索。耦合到固态量子发射器的纳米光子器件代表了实现这些目标的一种有前途的方法，因为它们结合了强的光-物质相互作用和高的光子收集效率。然而，这些方法的可扩展性受到固态发射器之间的频率失配及其光学跃迁的不稳定性的限制。在这里，我们提出了一个纳米机电平台的稳定和调整的光学跃迁的硅空位（SiV）的颜色中心在金刚石纳米光子器件通过动态控制其应变环境。这种基于应变的调谐方案具有足够的范围和带宽，以减轻各个SiV中心之间的光谱失配。使用应变，我们确保色心光学跃迁之间的重叠，并通过测量从金刚石波导收集的光子的相关性来观察纠缠的超辐射态。这个用于调谐纳米光子波导和谐振器中光谱稳定色心的平台构成了迈向可扩展量子网络的重要一步。
2019-02-22 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Enhancement of and interference among higher order multipole transitions in molecules near a plasmonic nanoantenna
量子发射体的自发发射可以通过工程化它们的光学环境来修改。这允许谐振纳米天线显著地修改量子发射器的辐射特性。在这篇文章中，我们超越了通常的电偶极近似，考虑了分子电子跃迁的高阶多极耦合。我们调查，通过理论和数值模拟，一个强大的增强磁偶极子和电四极发射通道的分子相邻的等离子体贴片纳米天线。虽然已经考虑了这一点，但在以前的工作中通常假设每个分子跃迁仅由这些多极发射通道中的一个主导。这自然会导致讨论修改后的发射的概念，在修改后的局域态密度定义为每个特定的多极过渡。实际上，这限制了该方法的适用性，因为特定的分子转变通过必须同时考虑的多个多极途径发生。在这里，我们引入了一个框架，通过（a）对其多极矩进行严格的量子化学计算和（b）通过对耦合到任意形状纳米天线时的跃迁速率的连续研究来研究分子中高阶跃迁之间的干涉效应。基于这种形式主义，我们预测这些过渡通道之间的干扰效应。这允许通过利用相消干涉来强抑制辐射。我们的工作表明，将适当选择的分子放置在相对于纳米天线的明确定义的位置和明确定义的方向上可以完全抑制跃迁概率。
2020-02-18 physics.atom-ph physics.optics
Generalized Kerker Effects in Nanophotonics and Meta-Optics
最初的Kerker效应是为一个假设的磁球引入的，最初由于缺乏所需的磁性材料，它并没有引起太多的关注。随着超材料领域的爆炸性发展，特别是其核心概念光致人工磁性的兴起，Kerker效应获得了前所未有的推动力，并迅速渗透到纳米光子学的各个分支。与此同时，效应本身背后的概念也得到了显著的扩展和推广。在这里，我们回顾了广义Kerker效应的物理和各种表现形式，包括在新兴领域的元光学，专注于不同的订单和起源的电磁多极子的干扰的进展。我们不仅讨论了单个粒子和粒子簇的散射，而且还讨论了金属晶格和超颖表面的反射、透射、衍射和吸收的操纵，揭示了最近观察到的各种光学现象是如何与Kerker的概念普遍相关的。
2018-03-30 physics.optics
Optical Magnetic Multipolar Resonances in Large Dynamic Metamolecules
本研究通过T矩阵方法表征动态超分子中的磁多极共振，发现增大尺寸和减小间隙可增强高阶多极模式，并建议实验验证前向或后向散射中的高阶光学磁共振。
2021-05-24 physics.optics
Datasets and Benchmarks for Nanophotonic Structure and Parametric Design Simulations
University of Pittsburgh（匹兹堡大学）
本文提出用于纳米光子结构参数化设计的基准与框架，并研究模拟网格尺寸对评估保真度的影响，以辅助优化算法选择最优结构。
2023-10-29 cs.LG physics.optics stat.ML
Interference-induced cavity resonances and imaginary Rabi splitting
本文提出干涉诱导的共振模式可与量子发射子杂化形成极化激元，即使不满足单模强耦合标准，也会产生衰减率不同的虚Rabi劈裂现象及长寿命极化激元。
2025-10-13 physics.optics
Quantum plasmonics with a metal nanoparticle array
我们研究了金属纳米颗粒阵列作为纳米光子量子通信的通道和量子等离子体干涉的产生。我们考虑了量子态的转移，包括单量子比特作为等离子体波包，并通过比较量子理论与经典电磁理论的预测，强调了量子力学描述的必要性。包括在金属中的损失的影响，从而把我们的调查到一个实际的设置，并使现实的纳米粒子阵列的性能作为等离子体量子信道的量化。我们探讨了单等离子体激元的干扰，发现与等离子体激元激发的量子特性相关的非线性吸收效应。这项工作突出了使用纳米光子周期性系统用于量子等离子体应用的优点和缺点，例如量子通信和量子干涉的产生。
2012-06-22 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Multipole Engineering of Attractive-Repulsive and Bending Optical Forces
聚焦激光束允许控制物体的机械运动，并可以作为在空间中组装复杂的微米和纳米结构的工具。虽然在绝大多数情况下，小颗粒会受到吸引力梯度和排斥辐射压力，但将额外的自由度引入光机械操作表明接近新的能力。在这里，我们分析了在聚焦高斯光束作用于高折射率硅球的光学力，并揭示了新的制度的粒子反捕获。多极分析允许将光学力分离成拦截和反冲分量，其具有完全不同的物理性质，导致不同的机械作用。特别是，相互作用的拦截径向力和多极共振内的粒子可以导致捕获或反捕获的情况下，取决于整个系统的参数。同时，反冲力产生显著的方位分量以及与角度相关的径向力。这些贡献使得能够增强捕获或反捕获机制，并且还引入弯曲反应。这些效应与远场多极干涉有关，特别是与其非对称散射图有关。后一种方法是非常有用的，因为它允许通过观察远场图案来评估光机运动的性质。光学力的多极工程是一种非常普遍的方法，不一定与简单的球形形状有关，并且为微流体应用中的新可能性铺平了道路，包括非平凡体积几何形状的分选和微组装。
2021-02-18 physics.optics
Perspective on real-space nanophotonic field manipulation using non-perturbative light-matter coupling
在纳米工程光子结构中实现大值的光-物质耦合可以导致多个光子共振，从而有助于相同混合极化激元模式的最终特性。我们开发了一个通用的理论，描述多模光物质耦合系统的降维，我们探索他们的新现象，验证我们的理论对数值电磁模拟的预测。一方面，我们讨论了与极化激元的多模性质有关的光谱特征。另一方面，我们展示了不同光子共振之间的干涉如何修改与每个极化激元模式相关的电磁场的实空间形状。我们认为，工程纳米光子谐振器的可能性，以最大限度地提高多模混合，并通过施加的外部场改变极化激元模式，可以允许动态实空间剪裁的亚波长电磁场。
2022-07-24 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Transverse scattering and generalized Kerker effects in all-dielectric Mie-resonant meta-optics
全介电共振纳米光子学是现代光学和纳米技术的核心，因为它具有独特的可能性来控制来自高折射率介电纳米颗粒和超颖表面的光的光的散射。介电米氏共振纳米光子学的一个重要概念与Kerker效应相关，Kerker效应驱动来自纳米天线和惠更斯超颖表面的光的单向光的散射。在这里，我们建议和实验证明一种新的效果表现在几乎完全同时抑制前向和后向散射场。这种效应由电偶极子和非共振四极子之间的Fano干涉控制，提供散射场的必要相位和振幅以实现横向散射。我们将这一概念扩展到介电超颖表面，其表现出零反射与横向散射和强场增强，用于共振光滤波、非线性效应和传感。
2019-05-21 physics.optics
Multipole higher-order topology in a multimode lattice
拓扑学的概念对物理学研究产生了深远的影响，涵盖了凝聚态、光子学和声学领域，并预测了拓扑状态，为各种性质的波的路由和控制提供了前所未有的多功能性。更高阶的拓扑绝缘体进一步扩展了这种过多的可能性，使其结构维度的范围更广。在这里，我们提出了一类新的二维多极高阶拓扑绝缘体，出现由于个别元原子的简并模式的干扰，概括了凝聚态系统中的自旋轨道耦合机制。我们证明了该模型具有无序鲁棒角模，不能减少到已知的晶体拓扑相或传统的四极绝缘体，提供了第一个例子多极拓扑结构中的$C_3$对称晶格具有量化八极矩。晶格的多模性质产生具有极端局部化的平坦带和角态，使得能够对拓扑模式进行相干控制。我们通过组装设计的结构，观察多极拓扑角态和实验证明其相干控制来支持我们的预测。
2022-11-11 cond-mat.mes-hall physics.optics
Mie Voids as broadband directional light sources
University of Stuttgart（斯图加特大学）；University of Graz（格拉茨大学）
Mie空洞通过宽带广义Kerker效应实现方向性光散射，为纳米尺度天线设计和能量收集提供新可能。
2026-02-02 physics.optics
Experimental verification of entanglement generated in a plasmonic system
许多量子任务的核心过程是纠缠的产生。从简单的二分系统到复杂的多分系统，人们正在各种物理环境中积极研究它。在这项工作中，我们实验研究的纳米光子系统中的两体纠缠的产生。纠缠产生通过量子干涉的两个表面等离子体激元的分束器结构，即利用Hong-Ou-Mandel（HOM）的效果，它的存在是使用量子态层析验证。纠缠的量由并发度量化，我们发现值高达0.77 +/- 0.04。HOM干涉的输出态的纠缠是一个重要的任务，不能单独从可见性推断。我们用来验证纠缠的技术可以应用于其他类型的光子系统，因此可能有助于表征一系列不同的纳米光子量子器件。
2017-05-04 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Polarimetric compressed sensing with hollow, self-assembled diffractive films
提出一种基于低折射率自组装空心纳米腔阵列光学编码器与神经网络结合的纳米光子学压缩感知方法，实现了波前方向和偏振的高分辨率预测，为偏振编码、光学计算与成像提供了新型材料方案。
2024-11-05 physics.optics
Plasmon-Emitter Interactions at the Nanoscale
等离子体激元-发射体相互作用在现代纳米等离子体激元学中是至关重要的，并且通常在短的发射体-表面分离处最大。然而，当间距低于10-20 nm时，经典理论逐渐恶化，因为它忽略了量子力学效应，如非局域性，电子溢出和朗道阻尼。在这里，我们展示了如何可以弥补这种忽视提出了一个统一的理论处理介观电动力学的框架上的Feibelman $d$参数接地。至关重要的是，我们的技术自然地结合了非经典共振位移和表面启用朗道阻尼-非局部阻尼效应-这对等离子体-发射极相互作用的振幅和光谱分布产生了巨大的影响。我们考虑了广泛的等离子体发射相互作用，从偶极和多极自发发射增强，等离子体辅助的能量转移和增强双光子跃迁。这里提出的形式主义给出了一个完整的帐户在纳米尺度上的等离子体激元和等离子体激元发射极相互作用，构成了一个简单而严格的和一般的平台，将非经典效应等离子体激元授权的纳米光子现象。
2019-04-19 cond-mat.mes-hall physics.optics
Optical Resonances: From Eigenmodes to Scattering Features
Qingdao Innovation and Development Center of Harbin Engineering University（哈尔滨工程大学青岛创新发展基地）；Department of Electronic Materials Engineering, Research School of Physics, Australian National University（澳大利亚国立大学物理研究学院电子材料工程系）
本文提出一个统一框架，将电磁共振区分为开放系统的本征模和实验观察到的散射特征，并探讨了从孤立粒子到耦合低聚物和周期结构的共振演化，特别关注连续谱束缚态、晶格共振、anapoles和超散射等干涉驱动现象。
2026-06-26 physics.optics
Transverse Kerker effect of localized electromagnetic sources
横向Kerker效应是通过电磁平面波垂直于传播方向的定向散射而已知的，其前向和后向散射几乎都被抑制。与平面波相比，定域电磁辐射源是现代纳米光子学中更普遍的辐射源。作为一个典型的例子，控制量子点的发射方向对于研究片上量子光学和量子信息处理具有重要意义。本文介绍了利用亚波长介质天线的局部电磁源的横向Kerker效应的概念，其中磁、电和更一般的手征偶极子发射器的辐射功率可以主要沿着其偶极矩定向，而垂直于偶极矩的辐射几乎被抑制。这种横向Kerker效应也与介质天线中诱导的电磁多极共振介导的Purcell增强有关。导出了磁偶极子、电偶极子和手征偶极子辐射源的横向Kerker效应的解析条件。进一步对磁偶极子辐射源进行了微波实验验证。我们的研究结果提供了新的物理机制来操纵局域电磁源的发射特性，这可能会促进芯片上量子光学和超越。
2021-06-22 physics.class-ph physics.optics
Direct observation of photonic spin Hall effect in Mie scattering
本研究针对光子自旋霍尔效应（PSHE）因自旋-轨道耦合弱而难以直接观测的难题，提出基于单个散射体对称性破缺与模式耦合的Friedrich-Wintgen超散射机制，首次实现单个超散射粒子PSHE的直接实验观测，为自旋光子技术提供新平台。
2025-09-05 physics.optics
Optomechanical Kerker effect
可调谐定向散射对于天线的操作、光的路由以及拓扑保护光学状态的设计是至关重要的。对于散射在纳米颗粒上的可见光，方向性可以由Kerker效应提供，利用电和磁偶极子发射图案的干涉。然而，亚100纳米小粒子中的磁光共振相对较弱。在这里，我们预测的非弹性散射与意想不到的强大的可调方向性高达5.25驱动的小粒子的颤抖，没有任何磁共振。所提出的光机Kerker效应源于振动诱导的多极转换。我们还提出了一种光机自旋霍尔效应，即非弹性极化相关的定向散射。我们的研究结果揭示了光与机械运动之间相互作用的内在多极性质。它们适用于从冷原子到二维材料再到超导量子比特的各种系统，并且可以指导手性光机械耦合工程。
2018-07-15 cond-mat.mes-hall physics.optics
Polarization Singularities in Light Scattering by Small Particles
利用全波数值模拟和解析多极展开，我们研究了亚波长粒子光散射中出现的实空间偏振奇异性的性质。我们考虑了由电介质或理想电导体材料制成的球形和圆环形粒子。我们确定了近场和远场区域的拓扑指数和电场极化奇点的轨迹。在远场区域，总共有四个奇点被确定，它们的偏振拓扑指数之和是2，独立于粒子的几何形状。在近场区域，偏振奇异性强烈地依赖于粒子的形状和入射光的偏振，并且由于场的非横向性质，它们的折射率和不再受庞加莱-霍普夫定理的支配。从近场到远场，C线的偏振拓扑指数会发生符号翻转。奇点的远场性质可以很好地解释激发多极子的干涉，但它们的近场性质可以强烈地影响由多极展开没有捕获的倏逝场。我们的工作揭示了粒子的几何性质与其散射场的偏振奇异性之间的重要关系。结果可以应用于操纵纳米光子系统中的偏振奇异性，并可能在光学传感中产生新的应用。
2021-01-29 physics.optics
QUPERS: Quantum Enhanced Raman Spectroscopy
本文实验演示了量子点与金属纳米颗粒耦合引发的路径干涉（Fano）效应，使 SERS 在传统增强基础上额外获得 7 倍增强因子，并提出通过外场调控量子点共振实现拉曼谱带选择性增强的新方案。
2025-02-08 physics.app-ph physics.optics quant-ph
On the existence of pure, broadband toroidal sources in electrodynamics
多极子在纳米光学的许多领域中对于描述电磁场是至关重要的，在等离子体激元和全介电纳米光子学的器件设计中起着至关重要的作用。与传统的电矩和磁矩的划分不同，环矩被认为是一个物理上不同的多极子家族，对物质的性质有着重要的贡献。然而，显然不可能单独测量它们的反应，这使人们对它们真正的物理意义产生了怀疑。在这里，我们确认的可能性，选择性地激励环形的时刻，没有任何其他多极。我们开发了一套一般条件，任何电流分布必须满足完全描述的环形时刻，并证明我们的结果在一个解析可解的情况下。我们的新理论使我们能够设计和实验验证第一次人工结构支持一个纯粹的，宽带的环形偶极子响应在完全没有电偶极子和其他“普通”多极贡献。此外，我们提出了一种结构，能够支持一种新型的nonradiating源，一个“环形anapole”，起源于相消干涉的环形偶极子与非常规的电磁源称为均方半径。在这项工作中的结果提供了决定性的证据独立激励的电动力学的环矩。
2022-08-02 physics.class-ph physics.optics
Nontrivial Pure Zero-Scattering Regime Delivered by a Hybrid Anapole State
在介电和半导体组件递送的纳米级下操纵光的电和磁组件的能力正在为具有特殊电磁特征、灵活和可调谐的超表面架构、增强的光捕获结构等的新型源和纳米天线铺平道路。由基本多极子和它们的环形对应物的相消干涉产生的Anapoles态已经被广泛地利用来抵消来自单个散射的辐射通道的隔离纳米谐振器，同时显示非平凡的近场。正因为如此，anapole状态已被要求对应于非辐射源。然而，这些状态通常与具有非零整体远场的高阶多极矩一起被发现。在本文中，我们从理论上和实验上证明了一个完全非散射状态下，由一个新的4倍混合anapole与所有占主导地位的多极子抑制其相应的环形（延迟）条款，即暗模拟的超散射效应。然而，这种不可见的状态，允许非平凡的近场地图，使独特的相互作用的谐振米氏和法布里-珀罗模式，如所示的准正常模式的扩展。此外，示出的混合anapole状态被保护;的非散射点的光谱位置保持不受干扰的基板具有显着高的折射率的存在下。我们通过暗场测量单个纳米柱的散射响应，实验验证了我们的新效果。结果是高要求的有效的传感和拉曼散射设置与增强的信噪比，高透射率的超颖表面的相位操纵，全息图，和一个大跨度的线性和非线性应用在介电纳米光子学。
2020-05-13 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
