期刊俱樂部 2013 | 田邊光子結構組

期刊俱樂部

按年份（4 月至 12 月）

2013 財政年度。

提出者：

以原子與光子耦合為基礎的量子研究，大多數是利用光諧振器的腔體 QED 來進行研究。在本研究中，我們證明藉由在奈米尺寸的波導周圍適當地排列原子晶格，可以在波導上製造一個將原子晶格視為布拉格鏡的諧振器，並應用於空穴 QED 和量子資訊處理。此技術的進一步應用可望為量子資訊網路的建構提供基礎。其原理將於演講中詳細說明。

提出者：

有了超靈敏傳感技術，就可以觀察和研究許多以前無法觀察到的現象。靈敏度在很大程度上與機械振動 Q 值有關，而在本研究中，透過使用光捕捉矽石顆粒實現了極高的 Q 值。利用該裝置，我們觀察到了熱振動的非線性，這是以前無法觀察到的。冷卻技術可望達到更高的靈敏度。

提出者：

使用傳統衍射光柵進行光譜分析時，由於需要對波長進行空間解析，因此會產生光譜儀尺寸變大的問題。然而，若能使用近年來研究熱門的 Disordered 系統來取代衍射光柵，則可實現更小的光譜儀，因為隨機散射可增加光路長度。在本文中，我們報告了利用無序光子晶體在晶片上實現小區域光譜儀的情況。

提出者：

光子晶體因其體積小且光局限性高，可望應用於光電路。近年來，資訊與通訊量的增加需要整合，換句話說，需要靈活的三維光學互連技術，但由於製造困難以及缺乏明確的設計準則，目前尚未實現。本文首次利用斜波导实现了三维光互连。

提出者：

光學技術的挑戰之一是衍射極限，這限制了光學元件微型化到波長尺度。利用電磁波與電子間耦合的表面等離子極化子是解決此問題的方法之一。最近，利用此技術的等離子雷射研究已經發表，但其中一個問題是需要冷卻至 10 K 左右。在本研究中，CdS 和 Ag 雷射被用來作為等離子雷射的主要元件。在本研究中，透過使用 CdS 與 Ag 被 MgF2 分隔的諧振器結構，製造出可在室溫下操作的等離子雷射。在本簡報中，我們的目標是為非生物學專業人士提供淺顯易懂的說明。

提出者：

在量子發射器的研究中，強化發射器與輻射模式之間的耦合非常重要，其目的是透過使用高 Q 值的諧振器和小模式體積的等離子來強化光與物質之間的互動。在本研究中，已製造出可同時利用這兩種效應的等離子諧振器，並經實驗證明可增強量子點的自發射光，以及從寬頻量子發射器製造出波長選擇性單光子來源。演講內容將包括討論等離子的基本原理及其他應用研究。

提出者：

細胞週期分析對許多細胞生理過程都非常重要，過去幾十年來已引起越來越多的興趣。在此背景下，實時和時空分析細胞週期的技術（如 Fucci 技術）引起了廣泛的關注，但無標籤細胞週期分析尚未實現。本論文是第一篇不使用螢光蛋白，以無標籤方式分析細胞週期的研究，其學術影響相當重大。在本簡報中，我們希望以盡可能讓非生物學專家容易理解的方式來說明結果。

提出者：

然而，透過光子晶體的使用，可以縮小元件的尺寸，也達到降低臨界值的目的。然而，透過光子晶體的使用，使得元件的尺寸得以縮小，同時也達到降低臨界值的目的。

提出者：

量子密鑰分發是一種已經實際應用的技術。然而，由於現有的 BB84 通訊協定在防竊聽方面的脆弱性，以及基於 APD 的單光子偵測器的低性能，使得傳輸距離和密匙產生率受到限制。在本篇論文中，我們報告一種差分相移量子密鑰分發通訊協定及超導單光子偵測器，其傳輸距離可達傳統通訊協定的兩倍以上。這一天將集中討論差分相移通訊協定和超導單光子偵測器，並強調更長距離得以實現的原因。

提出者：

在光學諧振器中，諧振器的穩定性和靈敏度取決於兩端的鏡面精度。在光學原子鐘和引力波觀測中，熱雜訊的影響越來越大，因此需要比傳統鏡面具有更高穩定性的鏡面鍍膜。因此，該研究小組製造了一種具有低機械損耗和高光學品質的新型單晶多層薄膜。在形成 Fabry-Perot 諧振器時，觀察到 150 000 的精細度。此外，在室溫下觀察到熱雜訊降低到傳統鏡面的 1/10。預期這將有助於開發更靈敏的諧振器和更穩定的雷射。演講將著重於使用製造的鏡子進行驗證實驗的結果。

提出者：

納米尺度溫度變化的靈敏檢測是現代科學的一大挑戰。在寬溫度範圍內，溫度解析度小於 1 °C，且可整合於體內的溫度計將會有重大的貢獻，尤其是在生物應用上 (例如溫度對基因表達與腫瘤代謝的調控)。在本研究中，我們提出一種新的奈米尺度溫度量測方法，其基礎為金剛石的氮空位色心 (NV 中心) 對電子自旋的相干操控，包括利用 NV 中心量測溫度的展示以及體內實驗的結果。演講內容將包括實驗結果。本簡報將著重於實驗方法和結果。

提出者：

Muneaki Hase, Masayuki Katsuragawa, Anca Monia Constantinescu & Hrvoje Petek 摘要：固態材料中的光學非線性極具興趣，因為它們允許在高頻寬資訊處理中結合光學及電子功能。矽中的三階非線性光學製程已被用於千兆赫頻段的光訊號處理，但在太赫兹頻段的光學調變方面尚未有任何研究。在本研究中，利用強烈的飛秒脈衝照射矽，激發出高振幅的相干縱向光聲子，並對矽的光學折射率進行超快調變，以縱向光聲子的基頻 (15.6 THz) 為間隔，產生頻寬超過 100 THz 的頻率梳。

提出者：

多光子吸收技術在生物成像和三維光學記錄方面有潛在的應用。在本研究中，我們首次報告了一種新型螢光粉透過五光子吸收產生誘導發射的實驗觀測。與低階非線性吸收相比，五光子吸收過程提供了強大的空間限制和非常高的成像對比度。此外，在近紅外線雷射激發下，二光子至四光子吸收的誘導發射也已實現，這將使其成為一種有潛力的多光子成像探針，具有無生物樣品自發光、穿透深度深、靈敏度和解析度高等特點。

提出者：

對於超越光的衍射極限的光聚焦研究一直很活躍，眾所皆知可以利用 evanescent 光來解決這個問題。近年來，有各種控制近場光聚焦的技術，例如使用小孔、電離子晶體和超材料等，但這些技術都需要製造精細精密的結構，且有光聚焦的程度取決於結構的缺點。相較之下，本論文報告發現一種不需要精細結構就能任意控制光聚焦程度的方法。

提出者：

由於光子的自旋而產生的光學自旋霍爾效應已被觀察了一段時間，但相對於自旋方向的位移很小，因此難以觀察。這篇論文透過在介質表面陣列金質天線的超材料，成功地增加了位移，從而促進了觀測。

提出者：

負超材料 (NIM) 可望應用於完美透鏡。三維 NIM 是實現完美透鏡的必要條件，但傳統 NIM 的損耗較高，無法提供足夠的光學特性。在本文中，我們將報告透過使用魚網型結構，以實驗方式實現可降低損耗的三維 NIM。演講重點將介紹 NIM 的研究歷史及其原理。

提出者：

利用奈米光子學將電子訊號轉換成光訊號，將可實現電子與光子學的整合。在本研究中，透過使用 L3 諧振器與石墨烯的組合，成功地將諧振器的諧振波長改變達 2 nm，並將諧振器的反射率改變達 400 %。理論研究顯示該裝置具有在數十 fJ 和 250 GHz 下運作的潛力。儘管石墨烯尺寸較小，但石墨烯諧振器裝置可望以較低的功率實現高速電氣和光學轉換。

提出者：

模式鎖定雷射是產生光梳（optical combs）的方法之一，但在量子層疊雷射中很難執行模式鎖定作業，這是因為增益恢復時間遠短於一個諧振器週期的預期光脈衝傳播時間，造成其他振盪。這是因為增益恢復時間遠短於一個諧振器週期的假設光脈衝傳播時間，因而導致其他振盪。在本研究中，使用量子層疊雷射產生光梳子，其結構設計為具有平坦的群速色散，使用 FWM 取代模式鎖定。這有望成為中紅外線區域的寬頻、緊湊且電流注入驅動的光梳源。

提出者：

在衍射極限 (250 nm) 內列印主要有兩種方法：噴墨和雷射噴射方法，以及本研究使用的表面等離子。噴墨方法具有極佳的解析度，但只能產生單色影像。另一方面，使用表面等離子的奈米孔濾波器需要週期性的結構，因此會產生微米級的解析度。在本報告中，藉由在奈米結構下插入反射膜，我們成功地在沒有週期性依賴的情況下對結構進行著色，並利用表面等離子達到衍射限制的解析度。透過改變奈米結構的幾何形狀來控制表面等離子與 Fano 諧振之間的互動，進而達到著色的效果。演講內容將作概括性描述，包括在 CLEO-PR & OECC/PS 上有關 Plasmonics 的報告。

提出者：

數學證明，具有階梯狀折射率分佈的多層膜可在寬頻帶上展現抗反射特性。然而，由於缺乏低折射率 (非常接近空氣的折射率) 的材料，寬頻抗反射薄膜至今尚未實現。在本研究中，利用斜蒸發法製備了 TiO2 和 SiO2 薄膜，並調整了它們的折射率，以消除寬頻帶內的菲涅爾反射。 SiO2 薄膜的最小折射率 n = 1.05。

提出者：

Mitsuru Saito, Kouji Taniguchi, and Taka-hisa Arima 摘要：儘管最近發現了多鐵性材料，但這些材料的最大方向性二色性為 0.1%。在本研究中，我們使用一種具有相對較小的時間客觀性和空間對稱性破壞程度的材料，成功地獲得了 100% 的非常大的方向性二色性值，而時間客觀性和空間對稱性破壞程度是成為多鐵性材料的條件。這是由於電偶極和磁偶極轉換之間的耦合較大所致。在演講中，將從電磁效應的基本內容開始，進行詳細的說明。

提出者：

從紅血球的發現開始，到現代的恆星塵雲觀測和玻色-愛因斯坦凝聚，吸收成像已被廣泛應用。在這篇論文中，利用射頻保羅誘捕法 (RF Paul trapping) 誘捕隔離在真空中的單原子，並使用相位菲涅爾透鏡 (phase Fresnel lens) 以波長解析度進行成像。這是世界上第一個透過吸收成像的方法。由於原子的光學特性已被充分了解，因此原子是了解吸收成像極限的理想樣本。該成果將為可見光和 X 射線範圍內的光敏樣品成像提供新方法。.

提出者：

對於量子資訊處理而言，形成一個連接每個量子系統的量子網路是非常重要的。然而，在網路中形成量子節點一直是一大挑戰。在本研究中，由光諧振器中補充的鐪原子系統形成了一個節點，原子的量子態成功溝通，並在兩個遠端的量子系統之間成功形成了纏結。本期刊俱樂部的演講將著重於兩個孤立量子系統中糾纏的展示。

提出者：

透過在介質表面上排列金天線，入射平面波可透過改變其在表面上的相位，朝任何方向傳送或反射。由於簡單的偶極子無法產生 360° 的相位變化寬度，因此提出了一種「V 型天線」，藉由優化邊緣的長度以及邊緣之間的角度，可以在維持散射強度的同時，達到寬範圍的相位變化。此外，透過對中心施加點對稱相位變化，確認了 Laguerre-Gaussian 光束的產生。

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什麼是期刊俱樂部？
這是在田邊光子結構實驗室舉辦的公開系列講座。研究生以上程度的學生會調查與光學及相關技術（如光子學、材料、生物科學等）有關的論文，並以淺顯易懂的方式加以說明。

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