Photonix期刊上的这篇综述性文章，由Zhiyuan Qian、Lingxiao Shan、Xinchen Zhang、Qi Liu、Yun Ma、Qihuang Gong和Ying Gu（作者通讯邮箱：ygu@pku.edu.cn）共同撰写，于2021年发表。作者们分别隶属于北京大学物理系介观物理国家重点实验室、前沿纳米光电子科学中心及其他机构。本研究综述了微纳光子结构中的自发辐射现象，强调了自发辐射增强技术，特别是基于腔量子电动力学（cavity quantum electrodynamics，简称CQED）的Purcell效应，在单光子源、光子电路和片上量子信息领域中的重要性。
在量子信息和可扩展量子网络中，微纳尺度单光子源是其基本构建模块。实现单光子源的一个关键原理是利用CQED框架下腔模控制自发辐射速率的Purcell效应。在本文中，作者对微纳结构（如耳语廊腔（whispering gallery microcavities）、光子晶体（photonic crystals，PCs）、表面等离子体纳米结构（surface plasmon polaritons，SPPs）、超材料（metamaterials）及其混合结构）中单发射体的自发辐射现象及其最新进展进行了综述。
自发辐射（spontaneous emission，简称SE）是量子发射体辐射光子的自然现象，其速率由发射体的局部电磁环境决定。Purcell效应指出，通过将发射体置于具备高Q因子（质量因数）和小模体积的腔体中，可增强其SE速率。Purcell因子定义为：
F = γ_tot / γ_0
其中，γ_tot为微纳结构中的总辐射速率，γ_0为真空中的自发辐射速率。Purcell因子与腔体的Q因子成正比，且与光学模体积V成反比。不同腔体（包括传统CQED系统、耳语廊腔、光子晶体缺陷腔及SPP结构）的Purcell效应表现与材料损耗、模体积及场局域性密切相关。
WGMs是一种光学模式，光在具有圆对称结构的微腔内通过连续全内反射被局限。由于其高Q因子（例如在硅石微球中可达10^9）和低模体积，WGMs非常适合增强SE。
经典实例包括： - 在带有单个InAs量子点的硅微盘中，实现了Purcell因子为6的SE增强（Kiraz et al., 2000）。 - 利用纳米制造技术，如光刻和干刻，在芯片上制备了高Q/V比的环形微腔，其Purcell因子达10^5（Kippenberg et al., 2004）。
此外，WGMs在强耦合研究中也得到了发展，在该模式下，腔与发射体之间的能量交换形成了Rabi分裂。此外，WGMs还被应用于单光子源、高效传输以及量子门等。
PCs通过周期性调制折射率形成光子带隙（PBG），从而抑制不希望的光子模式。特别地，通过在PC结构中引入缺陷模式，可以形成极小的腔体模体积和合理的Q因子（通常为10^3至10^5），适合增强局部态密度（LDOS）并提高Purcell因子。
重要成果： - 在二维PC缺陷腔中，SE的Purcell因子达到了76。 - 在三维“反木堆”（inverse woodpile）结构中观察到了高达两倍的SE抑制和增强现象。
此外，新型PCs（如Dirac/Weyl型结构）可能带来更多有趣的SE调控特性，如慢光效应、Fano共振和准晶效应。
SPPs是金属和介电界面上传播的表面波，其电磁模式高度局域，模体积极小。尽管金属吸收会限制Q因子，但SPPs的场局域性使其在实现高Purcell因子和增强光与物质相互作用方面具有优势。
常见的SPP相关结构： - 局域SPP：如金属纳米球或纳米棒周围的局域模式，Purcell因子可达10^4。 - 波导SPP：例如银纳米线和金属-绝缘体-金属波导，可实现10至几十倍的Purcell提升。
这种系统能够在弱耦合下实现单光子源。其中，通过调整金属纳米结构的几何尺寸，可以优化辐射效率和光子收集效率。
超材料（metamaterials）是一类具有负折射率或零折射率等独特光学性质的人工材料。两类重要的超材料为： 1. Metasurfaces（超表面）：通过亚波长光学天线等设计，使光子相位、频率或偏振发生可控变化。大量研究表明，通过与发射体耦合，超表面的Purcell因子可提升至100倍以上。 2. Epsilon-near-zero（ENZ）材料：其介电常数接近零，能够抑制真空涨落并实现均匀局部态密度。发射体在ELL中无需精确定位便可获得稳定的Purcell因子，大大简化实验设计。
混合结构结合了多种光子单元以协同发挥其优势。例如： - 光子晶体与金属纳米颗粒结合形成高质量因子且可锁定螺旋偏振光子的纳米腔。 - 在拓扑光子结构中，引入表面等离子体纳米天线，实现了超过10^4倍的Purcell增强，同时利用拓扑保护特性减少光散射。
这篇综述从多个方面阐述了Purcell效应在片上量子信息处理、量子态调控和量子网络中的潜力，特别是在实现高效单光子源及创新光子器件设计方面。通过纳米光子学与量子科学的深度交叉，该领域正逐渐成为创新的动力引擎。例如，将Purcell增强用于量子分束器、量子密钥分发及量子全息术等，可能带来性能的极大提升。未来，多功能混合结构以及新型光子材料可能进一步推动量子技术的发展。