奇異點（exceptional points）作為諧振耦合系統強、弱耦合的臨界點，是非厄米物理系統參數空間中本征態和本征值同時簡并的特殊狀態點，在超靈敏傳感、單向光傳輸、單模激光、渦旋光產生等經典和量子光學領域都有著非常重要的應用。然而，奇異點對外部微擾非常敏感的特點也意味著要將耦合量子系統制備在奇異點附近是非常困難的，這在很大程度上制約了奇異點量子效應的觀測及其實際應用。通過構建高維奇異點空間，系統可被靈活調控在奇異點附近，但一般耦合系統其參數空間的維度通常受限于幾何空間維度。對于二體耦合量子系統，其奇異點空間的最大維度為二維，即奇異面（exceptional surface）。
近日，中山大學物理學院王雪華教授等人提出可以利用大尺寸自組裝量子點的非偶極效應突破幾何空間維度的限制，在等離激元-量子點耦合量子系統中首次構建三維量子奇異點空間。在該系統中，自組裝量子點波函數的不對稱性使其具有通常的偶極矩外，還存在四極矩、八極矩等高階躍遷矩。通過利用局域等離激元表面附近巨大的電磁場梯度，該研究揭示高階躍遷對自發輻射速率的貢獻可數倍于偶極躍遷。偶極-多極躍遷干涉導致的顯著非偶極效應一方面增強了等離激元-激子相互作用，使其更容易達到強耦合；另一方面，更重要的是為調控等離激元-激子相互作用強度增加一個額外的自由度。其將等離激元-激子耦合量子系統中的二維奇異面拓展為三維奇異腔（exceptional chamber），使得耦合量子系統更容易制備于奇異點附近。該研究工作中展示的量子點非偶極效應可與廣泛使用的基于金屬探針的掃描隧道顯微鏡技術相結合，為實驗上觀測奇異點的量子效應和實現超靈敏量子傳感等量子應用提出了一個重要的解決方案。
圖A：金屬銀殼-量子點耦合示意圖 圖B：耦合量子系統的三維奇異腔
該成果于2021年6月3日以 “Quantum exceptional chamber induced by large nondipole effect of a quantum dot coupled to a nano-plasmonic resonator” 為題在線發表在期刊《Nanophotonics》上，中山大學博士生陸宇威和華南農業大學劉景鋒副教授為共同第一作者，王雪華教授為通訊作者。該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、廣東省重點領域研發計劃、廣東省自然科學基金、廣州市科技計劃、中山大學高校基礎科研業務以及光電材料與技術國家重點實驗等項目的大力支持。
