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科研希望

王雪华教授团队在光子-激子强耦合相互作用研究领域取得重大希望

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最近,物理学院、、光电质料与手艺国家重点实验室王雪华教授研究团队在光子与单激子强耦合相互作用量子调控理论及实验研究方面取得了重大希望,最新研究效果以“Strong Light-Matter Interactions in Single Open Plasmonic Nanocavities at the Quantum Optics Limit”为题揭晓在2017年6月8日的物理学顶级刊物Physical Review Letters118,237401(2017),https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.237401。

单辐射子(如原子、、分子、、激子)与光子的强相互作用不但是量子光学基本问题的一个理想磨练平台,并且在量子器件、、光电子集成、、超迅速和细密丈量、、量子盘算与量子通讯等方面有重大的应用,因此,它一直是国际学术前沿与热门研究领域之一。

在极低温顺高真空的极端条件下,科学家们已在种种固态光学微腔系统中实现了单激子与光子的强耦合相互作用以及量子态的调控。但在常温常压下,单激子与光子的强耦合相互作用(即量子光学极限水平上的光与物质强耦合相互作用)的实现和调控一直是一个重大的挑战,是该研究领域尝未攻克的天下级难题。

为攻克这一难题,天下多个研究组为此竟相开展研究:::法国里昂第一大学的Bellessa研究组于2004年、、美国Rice大学的Halas研究组于2008年、、德国Oldenburg大学的Lienau研究组于2013年先后在室温下视察到大宗的激子与差别外貌等离激元的强相互作用【Phys. Rev. Lett. 93, 036404 (2004)、、Nano Lett 8, 3481 (2008)、、Nat. Photonics 7, 128 (2013)】;直到2015年,瑞典Chalmers 理工大学Shegai研究组才把与外貌等离激元强相互作用的激子数降到了80个左右【Phys. Rev. Lett. 114, 157401 (2015)】;2016年,英国剑桥大学Baumberg研究组实现了外貌等离激元与2.5个激子(统计平均意义上的激子数)的强相互作用【Nature 535, 127 (2016)】。

ng电子游戏物理学院、、光电质料与手艺国家重点实验室王雪华研究团队在该问题上开展了近5年的攻关研究,他们在常温常压下实现了1.38个激子(统计平均意义上的激子数)与单个纳米颗粒外貌等离激元的强耦合相互作用,是到现在为此该研究领域国际上的最好研究纪录。因此,该事情被审稿人高度评价为 “I believe these results are very great”。该研究效果离最终实现确定性单激子(而非统计意义的单激子)与外貌等离激元强耦合相互作用尚有一步之遥,这“一步之�!币殉晌衷诠噬细飨喙匮芯孔榫合喙タ说南乱荒康�,王雪华教授团队也正在为此作进一步的起劲。

王雪华教授研究团队在上述事情中首先构建了多激子与单个外貌等离激元模式耦合相互作用的全量子理论,给出了精练的实现强耦相助用的“量子光学极限条件”。依据该理论,研究团队全心设计和制备出方形银包金纳米棒结构,实现了将光子局域在71 nm3 的超小模体积内,同时,巧妙地实现了单激子偶联以及小于0.9 nm的超短作用距离的准确控制,最终实现了单个J-aggregate激子与单根纳米方棒之间高达~41.6 meV的耦相助用强度,在室温下乐成视察到1-7个激子与单个等离激元纳米方棒的强耦合相互作用。

该研究事情由王雪华教授研究团队自力完成,第一作者是刘仁明特聘研究员(王雪华教授13级博士研究生、、现任职ng电子游戏物理学院)、、周张凯副教授(王雪华教授研究团队主干成员)和余奕聪讲师(王雪华教授08级博士研究生、、现任职佛山科学手艺学院物理与光电工程学院),王雪华教授是该事情通讯作者。该事情获得了科技部国家重点研发妄想、、国家自然科学基金、、广东省自然科学基金、、以及光电质料与手艺国家重点实验室的大力支持。

图 一. (a) 单个Au@Ag方棒及单个Au@Ag 方棒/J-聚体强耦合系统的暗场丈量效果;(b) 单个Au@Ag 方棒/J-聚系一切中所视察到的反交织色散关系。

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图 二. (a) 在差别Au@Ag 方棒/J-聚系一切中所视察到的散射光谱Rabi 劈裂;(b) 在经由差别染料浓度处理的样品中所视察到的单个Au@Ag 方棒/J-聚体强耦合系统Rabi 劈裂统计。

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