原子热蒸气与布洛赫表面波耦合增强量子传感分辨率的理论研究

本研究针对原子-光相互作用平台微型化需求，通过理论模拟24层一维光子晶体中69°共振角激发的布洛赫表面波（BSWs）与铷原子热蒸气耦合，发现BSWs可通过调控局域态密度（LDOS）显著提升原子跃迁线分辨率，成功区分85Rb和87Rb的D1线全部8个超精细能级，为量子传感与高分辨光谱技术提供新思路。

　　

在光学技术飞速发展的今天，如何实现原子-光相互作用平台的微型化已成为制约量子传感、精密测量等领域发展的关键瓶颈。传统表面等离子体激元（SPPs）虽能增强光场，但其固有损耗限制了分辨率提升。而布洛赫表面波（Bloch Surface Waves, BSWs）作为一种新型表面电磁波，凭借强场局域性和环境敏感性，为突破这一瓶颈提供了可能。

研究人员通过构建由12对ZrO₂/SiO₂介质层组成的一维光子晶体（1D-PC），利用转移矩阵法（TMM）模拟发现：当入射角为69°时激发的BSWs，能在720-900 nm波段（涵盖Rb原子D₁/D₂线）形成宽禁带。通过调控局域态密度（Local Density of States, LDOS），BSWs使原子蒸气对光子的吸收效率提升3个数量级，最终成功分辨出自然铷蒸气中⁸⁵Rb和⁸⁷Rb的全部8个超精细能级——这一分辨率远超传统SPPs模式。

关键技术包括：1）基于TMM的光子晶体能带结构设计；2）原子蒸气与BSWs耦合的电磁场仿真；3）LDOS空间分布与原子跃迁线宽关联分析。

【Bloch surface wave supported structure】

通过12周期ZrO₂/SiO₂介质堆栈实现720-900 nm光子禁带，TMM模拟显示该结构在69°入射角可高效激发BSWs。

【Results and Discussion】

实验测得禁带范围与模拟高度吻合（图2a）。BSWs使LDOS在距表面200 nm处达最大值，导致原子吸收谱线宽压缩至SPPs的1/3，实现D₁线8个超精细能级的清晰分辨（图3c）。

【Conclusion】

该研究证实BSWs通过LDOS调控可突破原子光谱分辨率极限，为片上量子传感器、高精度原子钟等器件开发奠定理论基础。论文发表于《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》，由Hamidi Seyedeh Mehri团队完成。