导读
近日，来自华南理工大学物理与光电学院的纳米光子学、光学物理和量子物理专家李志远教授，带领博士生王博和北京大学物理学院访学本科生曾宪哲，对金属纳米间隙中分子-等离激元存在的量子和光学相互作用及其对内在的能级劈裂以及外在的光谱劈裂所起的贡献等基础物理问题进行了详细而深刻的理论研究，相关研究成果作为封面文章发表在光学领域重要期刊Photonics Research 2020年第8卷第3期上（图1）。
图1. Photonics Research 2020年3月份期刊封面，用艺术手法形象地描绘了金属纳米间隙中分子-等离激元之量子和光学相互作用。
构建一座顺畅通达的桥梁来连接微观世界的物质和宏观世界的观察者，是物理学和许多自然科学分支的一个基本问题和重要任务。历史告诉我们，这决不是一件容易的任务，它需要谨慎的态度、娴熟的技巧和高超的智慧才能做好，而150年来发展起来的光谱学技术已经成为完成此项任务的强大工具。真空拉比劈裂(Rabi Splitting)来源于单光子和单个量子辐射体（单个原子、分子或者量子点）间的强相互作用，是微观世界的一个基本量子现象。从内在本质上说，这个现象反映了量子辐射体内量子态的能级劈裂，而从外在表征上说，该现象可通过光致发光谱、荧光光谱、散射谱和吸收谱中呈现的光谱劈裂反映出来。很自然地，就产生了一个有趣的基础性科学问题，实验者观察到的光谱劈裂是否可以与量子辐射体内的本征能级劈裂画上等号，从而能真实地反映量子辐射体的能态演化及劈裂现象。
真空拉比劈裂量
通常来说比较小,在微电子伏特水平上。多年的研究已经清楚地表明可以利用光学谐振腔增强拉比劈裂，且遵从关系式
，其中Q是品质因子，V为光学谐振腔的模体积。近年来，许多研究小组利用极小模体积的等离激元纳米腔(plasmon nanocavity)来增强拉比劈裂。许多报道声称，将J-分子聚合体置于等离激元纳米间隙(nanogap)中，可与高度局域化的等离激元发生强耦合，进而产生几百甚至上千毫电子伏特的巨大光谱劈裂，并称之为巨拉比劈裂(giant Rabi splitting)。同时，这个拉比劈裂量正比于
，N 为在J-聚合体内的激子数目。很多研究人员普遍认为这种劈裂是纯粹地源于激子和表面等离激元之间的量子相互作用，并且如实地反映了J-分子聚合体量子辐射体的本征能级劈裂。如果这个所谓的巨拉比劈裂真的是微观粒子（这里是激子）的能级劈裂，那实在可以说是一个奇迹，因为它反映了人类在操纵、塑造和改变微观世界方面拥有了前所未有的力量。
然而，我们人类真的有这么大的力量吗？对于一个负责任的科学家来说，获得对这个基本问题的答案一定要经过非常扎实、严格而审慎的研究及审核过程。李志远教授带领博士生王博和本科生曾宪哲，对这个问题进行了仔细而深刻的研究。他们对等离激元-分子间的相互作用进行了深入的理论分析，建立了一个能够处理复杂的量子和光学相互作用的理论模型，并能区分它们对实验观测到的光谱劈裂的贡献。
研究小组首先注意到，在这些声称得到巨拉比劈裂的实验中，严格地说，观测到的劈裂量实际上是巨大的光谱劈裂。因此，自然会产生这样一个问题，这些外在的光谱劈裂是否等同于内在的能级劈裂（拉比劈裂的原始含义）。为了明确地回答这个问题，研究小组还注意到，等离激元-分子间的相互作用不仅发生在单分子拉比劈裂的量子力学水平上，而且也发生在分子与等离激元之间多层散射的经典光学水平上（图2所示）。当等离激元纳米间隙包含更多的分子时，如大多数实验中的情况一样，还存在着这些分子之间的多重散射以及它们与等离激元间的多重散射相互作用。简而言之，实验所观察到的光谱劈裂，原则上既来源于单分子与等离激元的量子相互作用（拉比劈裂），也来源于单分子/多分子与等离激元间的经典光学相互作用。更准确地说，高度局域的等离激元热点光场与单个分子的量子相互作用将导致能级劈裂，即真正的拉比劈裂，其劈裂量取决于分子内激子偶极矩和单光子场强的大小。这种量子相互作用会改变分子对入射光的响应，包括偶极矩强度和谱线形状。反过来，分子的光学响应会进一步影响外光场与等离激元纳米间隙的相互作用，显然这是一种经典的光学相互作用。当涉及N个分子时，它们将显著地改变纳米间隙等离激元其背景介质的光学性质（更具体地说是有效折射率和介电常数），从而极大地改变分子-等离激元系统的散射光谱，导致观测到的光信号呈现巨大的光谱劈裂特征。研究小组的数值模拟证实了这一预期。他们的结果表明，散射光谱对在等离激元纳米间隙内填充的介质其折射率改变是非常敏感的。具体地讲，当介质折射率改变时，将发生明显的光谱位移。其实，这种敏感度在纳米光学界是众所周知的，是光学传感的物理基础，被公认为是一种纯光学效应，源于高度局部化的纳米间隙等离激元热点与周围介质之间复杂的光学相互作用。
图2. 金属纳米间隙分子-等离激元量子和光学相互作用之物理原理图。该图描述了分子-等离激元间的强量子相互作用以及分子-分子和分子-等离激元的光学相互作用。由于量子和光学相互作用的共同参与，通常实验观测到的频谱劈裂并不等价于分子内量子态的能级劈裂。
为了使分析更加定量，研究小组利用洛伦兹模型来近似地描述分子和等离激元。该模型描述了所有分子的光学响应，并计算了作为填充介质的分子对纳米间隙等离激元的有效折射率。他们发现，相比于单分子拉比劈裂的量子相互作用，分子集体与纳米间隙等离激元的光学相互作用，是产生巨大光谱劈裂的主要原因。同时，该理论还指出光学相互作用所引起的光谱劈裂量与
同样成正比。因此，许多实验所观察到的巨大光谱劈裂不是纯粹的量子拉比劈裂效应，而是所有分子与等离激元集体光学相互作用所引起的巨大频谱调制效应和单分子与等离激元强耦合的量子拉比劈裂所引起的较小光谱调制效应的协同作用之总和。研究小组提出的物理观点和理论模型提供了一个更合理的物理学角度，来研究复杂的分子-等离激元间的强相互作用系统。该理论有助于理清微观分子在单光子光场驱动下的内在能级劈裂的真实大小，回答真实的量子拉比劈裂能达到多大数量级的问题，更重要的是，回答人类能够在多大程度上改变微观世界这一根本的科学问题。这项工作还表明，自然界的行为往往比表面看起来要复杂得多， “狡猾”的多。因此，在研究纳米、亚纳米、乃至原子尺度上的光和物质相互作用时，应该开拓广阔的视野，打破单学科的局限性，以便获得对复杂自然事物和实验现象之深刻而完整的物理理解，并找到看似简单的光学现象背后所实际隐藏的关键物理机制，从而推动物理学向未知领域的前进步伐。
文章链接
Bo Wang, Xian-Zhe Zeng, Zhi-Yuan Li, Quantum versus optical interaction contribution to giant spectral splitting in a strongly coupled plasmon–molecules system, Photonics Research Vol. 8, pp. 343-351 (2020)。
中国激光杂志网论文链接地址：
http://www.opticsjournal.net/Journals/prj.htm?action=issue&year=2020&vol=8&ino=3
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