光學微腔調控金屬納米顆粒電磁環境的新思路

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日前，北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室「極端光學創新研究團隊」肖雲峰研究員和龔旗煌院士領導的課題組，提出光學微腔調控金屬納米顆粒電磁環境的新思路，顯著地抑制了表面等離激元共振模式的耗散，使得相互作用體系進入到「強耦合」區間。研究工作發表在最新一期《物理評論快報》上【Physical Review Letters 119，233901（2017）】。

左：真空中金屬顆粒與單個原子相互作用；右：微腔調製的金屬顆粒與單個原子相互作用

金屬納米結構中的自由電子振蕩與外部光場發生耦合，形成局域表面等離激元共振，可以將光場壓縮到納米尺度，在表面增強拉曼光譜、高靈敏度生化感測、超緊湊光子迴路、非線性光學以及量子光學等領域具有廣泛的應用前景。例如，當原子、分子等單個量子輻射體置於金屬納米結構中時，由於Purcell效應，其自發輻射要受到顯著調製，可用於研究單分子光譜和實現高效單光子源。然而，由於金屬自身具有很強的吸收和散射損耗，利用等離子激元共振實現相干相互作用面臨挑戰。

本工作提出利用高品質因子光學微腔來調控金屬顆粒的電磁場環境。相比於真空環境，光學微腔調製的電磁環境與等離激元共振模式有更強的耦合，增強了等離激元的輻射輸出。高效的輸出渠道使得能量不再集中於吸收區域，從而減小其熱損耗。相比於真空中的金屬顆粒，微腔調製的金屬顆粒可以將單原子的輻射效率提升40倍，輸出功率提升50倍。

微腔調控的電磁環境使得等離激元具有更好的量子相干性，可以實現單個量子輻射體和等離激元的強耦合，表明單個量子可以在等離激元共振模式和量子輻射體之間可逆的轉換，這是諸多量子操控的基礎。通過調控電磁環境來減小損耗的思路，不依賴於金屬顆粒的尺寸、形狀和材質，且可以與現有的實驗手段兼容，為量子等離激元學、納米尺度量子光學研究提供了全新平台，並且在納米感測、精密光譜和超快量子信息處理中有重要的應用前景。

論文第一作者是北大元培學院2013級本科生彭湃，現就讀於美國麻省理工學院。合作者包括清華大學劉永椿助理教授和北京大學呂國偉副教授。研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心和極端光學協同創新中心等的支持。

參考論文：Pai Peng, Yong-Chun Liu, Da Xu, Qi-Tao Cao, Guowei Lu, Qihuang Gong, and Yun-Feng Xiao*, 「Enhancing Coherent Light-Matter Interactions through Microcavity-Engineered Plasmonic Resonances」 Phys. Rev. Lett. 119, 233901 (2017) – Published 4 December 2017