最近，物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王雪華教授研究團(tuán)隊(duì)在光子與單激子強(qiáng)耦合相互作用量子調(diào)控理論及實(shí)驗(yàn)研究方面取得了重大進(jìn)展，最新研究成果以“Strong Light-Matter Interactions in Single Open Plasmonic Nanocavities at the Quantum Optics Limit”為題發(fā)表在2017年6月8日的物理學(xué)頂級(jí)刊物Physical Review Letters118，237401（2017），https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.237401。
單輻射子（如原子、分子、激子）與光子的強(qiáng)相互作用不僅是量子光學(xué)基本問(wèn)題的一個(gè)理想檢驗(yàn)平臺(tái)，而且在量子器件、光電子集成、超靈敏和精密測(cè)量、量子計(jì)算與量子通訊等方面有巨大的應(yīng)用，因此，它一直是國(guó)際學(xué)術(shù)前沿與熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。
在極低溫和高真空的極端條件下，科學(xué)家們已在各種固態(tài)光學(xué)微腔系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了單激子與光子的強(qiáng)耦合相互作用以及量子態(tài)的調(diào)控。但在常溫常壓下，單激子與光子的強(qiáng)耦合相互作用（即量子光學(xué)極限水平上的光與物質(zhì)強(qiáng)耦合相互作用）的實(shí)現(xiàn)和調(diào)控一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，是該研究領(lǐng)域嘗未攻克的世界級(jí)難題。
為攻克這一難題，世界多個(gè)研究組為此竟相開(kāi)展研究：法國(guó)里昂第一大學(xué)的Bellessa研究組于2004年、美國(guó)Rice大學(xué)的Halas研究組于2008年、德國(guó)Oldenburg大學(xué)的Lienau研究組于2013年先后在室溫下觀(guān)測(cè)到大量的激子與不同表面等離激元的強(qiáng)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 理工大學(xué)Shegai研究組才把與表面等離激元強(qiáng)相互作用的激子數(shù)降到了80個(gè)左右【Phys. Rev. Lett. 114, 157401 (2015)】；2016年，英國(guó)劍橋大學(xué)Baumberg研究組實(shí)現(xiàn)了表面等離激元與2.5個(gè)激子（統(tǒng)計(jì)平均意義上的激子數(shù)）的強(qiáng)相互作用【Nature 535, 127 (2016)】。
中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王雪華研究團(tuán)隊(duì)在該問(wèn)題上開(kāi)展了近5年的攻關(guān)研究，他們?cè)诔爻合聦?shí)現(xiàn)了1.38個(gè)激子（統(tǒng)計(jì)平均意義上的激子數(shù)）與單個(gè)納米顆粒表面等離激元的強(qiáng)耦合相互作用，是到目前為此該研究領(lǐng)域國(guó)際上的最好研究記錄。因此，該工作被審稿人高度評(píng)價(jià)為 “I believe these results are very great”。該研究結(jié)果離最終實(shí)現(xiàn)確定性單激子（而非統(tǒng)計(jì)意義的單激子）與表面等離激元強(qiáng)耦合相互作用尚有一步之遙，這“一步之遙”已成為目前國(guó)際上各相關(guān)研究組競(jìng)相攻克的下一目標(biāo)，王雪華教授團(tuán)隊(duì)也正在為此作進(jìn)一步的努力。
王雪華教授研究團(tuán)隊(duì)在上述工作中首先構(gòu)建了多激子與單個(gè)表面等離激元模式耦合相互作用的全量子理論，給出了簡(jiǎn)潔的實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合作用的“量子光學(xué)極限條件”。依據(jù)該理論，研究團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)和制備出方形銀包金納米棒結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了將光子局域在71 nm3 的超小模體積內(nèi)，同時(shí)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了單激子偶聯(lián)以及小于0.9 nm的超短作用距離的精確控制，最終實(shí)現(xiàn)了單個(gè)J-aggregate激子與單根納米方棒之間高達(dá)～41.6 meV的耦合作用強(qiáng)度，在室溫下成功觀(guān)測(cè)到1-7個(gè)激子與單個(gè)等離激元納米方棒的強(qiáng)耦合相互作用。
該研究工作由王雪華教授研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成，第一作者是劉仁明特聘研究員（王雪華教授13級(jí)博士研究生、現(xiàn)任職中山大學(xué)物理學(xué)院）、周張凱副教授（王雪華教授研究團(tuán)隊(duì)骨干成員）和余奕聰講師（王雪華教授08級(jí)博士研究生、現(xiàn)任職佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理與光電工程學(xué)院），王雪華教授是該工作通訊作者。該工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、以及光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。
圖 一. (a) 單個(gè)Au@Ag方棒及單個(gè)Au@Ag 方棒/J-聚體強(qiáng)耦合系統(tǒng)的暗場(chǎng)測(cè)量結(jié)果；(b) 單個(gè)Au@Ag 方棒/J-聚體系統(tǒng)中所觀(guān)測(cè)到的反交叉色散關(guān)系。
圖 二. (a) 在不同Au@Ag 方棒/J-聚體系統(tǒng)中所觀(guān)測(cè)到的散射光譜Rabi 劈裂；(b) 在經(jīng)過(guò)不同染料濃度處理的樣品中所觀(guān)測(cè)到的單個(gè)Au@Ag 方棒/J-聚體強(qiáng)耦合系統(tǒng)Rabi 劈裂統(tǒng)計(jì)。
