中大新聞網訊（通訊員李筠瑜）中山大學物理學院、光電材料與技術國家重點實驗室王雪華教授團隊在常溫、常壓下首次實現了確定性單量子點與單個金屬納米顆粒光子模的量子強耦合相互作用，為規?；苽涫覝毓虘B單量子比特開辟了一條可行的路徑。
單激子與光子的室溫量子強耦合及其量子態調控是實現室溫量子光電子器件及其固態量子芯片的核心基礎，但室溫下固態系統的巨大耗散使它的實現極為困難。自本世紀初，世界上眾多研究組為攻克這一難題而競相開展研究。直到2015年，瑞典Chalmers 理工大學Shegai研究組才把與表面等離激元強耦合的激子數降到了80個左右；2016年，英國劍橋大學Baumberg研究組在《自然》雜志報道了表面等離激元微腔與2.5個激子（統計平均）的室溫量子強耦合；2017年，中山大學王雪華教授團隊實現了1.38 個激子（統計平均）的室溫量子強耦合 [PRL,118, 237401 (2017)]。但對室溫可擴展固態量子信息處理具有特殊重要性的確定性單激子與單納米顆粒光子模的室溫量子強耦合一直未能實現。
在前期研究的基礎上，王雪華教授團隊就該問題開展了5年多的攻關研究。他們利用分子耦連技術和光照光力吸引原理，巧妙地將單個殼層量子點鏈接到單金納米棒端部電場最強的熱點位置。當該耦合系統與碳薄膜襯底形成“楔形腔”構型時，光場能夠被更加有效地“拽入”并局域在量子點激子所在的殼層（如圖 1所示），這可顯著增強激子與光子的相互作用、從而克服室溫下的巨大耗散。結合暗場散射光學測量與冷凍電鏡斷層成像技術，確認在常溫常壓下實現了單量子點與單個金屬納米棒光子模的量子強耦合 （如圖 2所示），觀測到了迄今為止單激子強耦合系統散射光譜的最大Rabi 劈裂（~234 meV）。
圖 1 (a) 單根金納米棒與單個量子點形成“鍥形腔”構型的強耦合示意圖；(b) 單個Au NR@QD1結構的x-y、x-z電場分布圖，其中量子點被壓在金棒一端的下方。(i)中的綠色虛線是電場分布的x-y視圖數據提取的平面；(c) 歸一化電場、耦合強度與距離（沿(b)中綠色箭頭從金棒到量子點中心）的關系圖?；疑Q虛線中間為量子點核區域，粉色區域示意系統達到輻射強耦合狀態。
圖 2 (a) 不同失諧量情況下單個Au NR@QD1雜化系統的暗場散射測量結果，其中圖（ii）中的光譜劈裂高達~234 meV；(b) 實驗數據（點圖）及理論計算（線圖）得到的雜化系統色散關系；(c) 色散關系上支(UPB)與下支(LPB)中的等離激元模式、量子點激子的相對占比；(d) “鍥形腔”構型的電場分布圖；(e) 室溫下“鍥形腔”構型與非“鍥形腔”構型的Comsol仿真散射譜結果
相關研究成果以“Room-Temperature Strong Coupling Between a Single Quantum Dot and a Single Plasmonic Nanoparticle”為題，于2022年5月31日在線發表在國際著名學術期刊Nano Letters上。審稿人高度評價該成果是量子表面等離激元研究領域的一個突破性工作（“breakthrough level work”）。中山大學李筠瑜博士生和李威博士為該工作的共同第一作者，河南大學劉仁明教授（王雪華教授2016屆博士畢業生）和中山大學王雪華教授為共同通訊作者。上述工作得到了廣東省重點領域研發計劃項目、國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金面上項目、廣東省特支計劃杰出人才項目等項目，以及中山大學光電材料與技術國家重點實驗室和物理學院的大力支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00606
