日前，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”肖云峰研究员和龚旗煌院士领导的课题组，提出光学微腔调控金属纳米颗粒电磁环境的新思路，显著地抑制了表面等离激元共振模式的耗散，使得相互作用体系进入到“强耦合”区间。研究工作发表在最新一期《物理评论快报》上【Physical Review Letters 119，233901（2017）】。











左：真空中金属颗粒与单个原子相互作用；右：微腔调制的金属颗粒与单个原子相互作用


金属纳米结构中的自由电子振荡与外部光场发生耦合，形成局域表面等离激元共振，可以将光场压缩到纳米尺度，在表面增强拉曼光谱、高灵敏度生化传感、超紧凑光子回路、非线性光学以及量子光学等领域具有广泛的应用前景。例如，当原子、分子等单个量子辐射体置于金属纳米结构中时，由于Purcell效应，其自发辐射要受到显著调制，可用于研究单分子光谱和实现高效单光子源。然而，由于金属自身具有很强的吸收和散射损耗，利用等离激元共振实现相干相互作用面临挑战。


本工作提出利用高品质因子光学微腔来调控金属颗粒的电磁场环境。相比于真空环境，光学微腔调制的电磁环境与等离激元共振模式有更强的耦合，增强了等离激元的辐射输出。高效的输出渠道使得能量不再集中于吸收区域，从而减小其热损耗。相比于真空中的金属颗粒，微腔调制的金属颗粒可以将单原子的辐射效率提升40倍，输出功率提升50倍。


微腔调控的电磁环境使得等离激元具有更好的量子相干性，可以实现单个量子辐射体和等离激元的强耦合，表明单个量子可以在等离激元共振模式和量子辐射体之间可逆的转换，这是诸多量子操控的基础。通过调控电磁环境来减小损耗的思路，不依赖于金属颗粒的尺寸、形状和材质，且可以与现有的实验手段兼容，为量子等离激元学、纳米尺度量子光学研究提供了全新平台，并且在纳米传感、精密光谱和超快量子信息处理中有重要的应用前景。


论文第一作者是北大元培学院2013级本科生彭湃，现就读于美国麻省理工学院。合作者包括清华大学刘永椿助理教授和北京大学吕国伟副教授。研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等的支持。
论文信息：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
编辑：安宁