Nano Lett.| 室温下双激子-表面等离激元强耦合调控- 大数跨境

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Nano Lett.| 室温下双激子-表面等离激元强耦合调控

两江科技评论

2021-11-26

导读：中山大学周张凯教授、新加坡国立大学仇成伟教授、新加坡科技研究局吴琳研究员等在Nano Letters发表室温双激子强耦合的研究：实现了两种激子与等离激元纳腔的强耦合，演示了相互作用调控，预言了等离激元

英文原题：Steering Room-Temperature Plexcitonic Strong Coupling: A Diexcitonic Perspective

通讯作者：吴琳研究员，新加坡科技研究局；仇成伟教授，新加坡国立大学；周张凯教授，中山大学

作者： Wenbo Zhang（张文博）, Jia-Bin You（游佳斌）, Jingfeng Liu（刘景锋）, Xiao Xiong（熊霄）, Zixian Li（李子贤）, Ching Eng Png， Lin Wu（吴琳），Cheng-Wei Qiu（仇成伟）, Zhang-Kai Zhou（周张凯）

微腔光子与量子辐射子构成的强耦合系统由于能够提供固态、易于超快操控的量子相干态，在量子信息的快速传输与处理中具有重要应用，是目前微纳光学、量子光学、集成光学等领域研究的重点。为了实现复数量子比特的有效操控，构建可操控、易集成的量子网络，突破单激子与微腔强耦合的体系限制，探索微腔光子与不同种类激子的强耦合体系构建以及相互作用调控方法，逐渐成为强耦合领域研究的重要发展趋势。虽然，一些早期工作的开展了低温下双激子（来源于同种材料）与微腔光子的强耦合研究，但是目前为止，在常温下构建基于不同种类激子的强耦合纳米体系仍然是一个挑战。

图1. 双激子强耦合纳米体系的制备

近日，中山大学周张凯教授研究组与新加坡科技研究局吴琳研究员、新加坡国立大学仇成伟教授等合作，在Nano Letters 上发表了关于室温下双激子强耦合纳米体系的构建以及相互作用调控的研究工作（2021年第21期正封面文章）。为了探索双激子强耦合构建的可能性，该双激子强耦合体系选用了不同种类且激子能量差大于5倍激子线宽的两种激子（分别来源于有机染料分子和单层过渡金属硫化物，即PIC-J聚体和单层WS₂）。在实验中，他们先将等离激元金纳米立方（AuNC）包覆一层J聚体分子，形成只含有一种激子的强耦合纳米颗粒，即AuNC@J-agg 复合纳米颗粒。此后，再以AuNC@J-agg 复合纳米颗粒为构建基础（building block），通过旋涂的方法将其转移到单层WS₂表面，实现了双激子-等离激元强耦合体系，见图1。

图2. 双激子强耦合纳米体系的相互作用调控

在该双激子强耦合体系中，有两个因素能够调控体系的耦合相互作用。其一是金纳米立方的边长，因为改变边长可以调控金纳米立方的等离激元共振频率。实验上，他们通过制备不同尺寸的金纳米立方构建了不同的Au@J-agg/WS₂双激子强耦合纳米体系，同时利用微区暗场测量，得到了双激子强耦合体系的散射光谱以及反交叉色散曲线。其次，因为在转移AuNC@J-agg 复合纳米颗粒之前，单层WS₂表面可以旋涂一层PMMA（即聚甲基丙烯酸甲酯）；因此通过改变PMMA层的厚度，可进一步改变WS₂激子与金纳米立方的距离，实现双激子强耦合体系的光谱响应调控，见图2。

图3. 双激子强耦合纳米体系内的等离激元辅助能量相干传递效应

理论研究展示了双激子强耦合体系的未来应用前景。通常情况下，频率失谐的激子之间很难形成能量传递。但基于Lindblad主方程的理论研究显示，在双激子强耦合体系中，两种激子之间存在高效的相干能量传递现象。当表面等离激元与两种激子同时发生强耦合时，在飞秒量级的超短时间内，激子1的能量就可通过等离激元传递到激子2，然后激子2又与等离激元发生相干振荡并与激子1发生相干能量交换，见图3。此外，进一步的理论研究还表明，通过对双激子强耦合体系进行优化（比如减小系统损耗），可调控两种激子之间相干能量传递（比如提高能量传递效率）。

相关论文发表在Nano Letters 上，中山大学博士研究生张文博和新加坡科技研究局游佳斌副研究员为文章的共同第一作者，中山大学周张凯教授、新加坡国立大学仇成伟教授、新加坡科技研究局吴琳研究员为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Steering Room-Temperature Plexcitonic Strong Coupling: A Diexcitonic Perspective

Wenbo Zhang, Jia-Bin You, Jingfeng Liu, Xiao Xiong, Zixian Li, Ching Eng Png, Lin Wu*, Cheng-Wei Qiu*, and Zhang-Kai Zhou*

Nano Lett., 2021, 21, 8979–8986, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02248

Publication Date: October 13, 2021

通讯作者信息

1）Zhang-Kai Zhou（周张凯）

简历：周张凯，2006年和2011年在武汉大学取得学士和博士学位；2011年7月加入中山大学，目前是物理学院教授，博士生导师，物理学院光学与光学工程系主任。长期从事微纳体系的光与物质相互作用及其相关光子学器件研究，在Light-Sci. Appl., Phys. Rev. Lett., Nat. Commun., Nano Lett.等期刊发表文章70余篇，授权中国专利4项，美国专利1项，先后主持国家自然科学基金面上项目，广东省杰出青年基金，广东省粤港合作联合基金，广州市“珠江科技新星”等项目。2018年入选"广东特支计划"科技创新青年拔尖人才，2020年受邀担任《Frontiers in Nanotechnology》杂志纳米光学方向审稿编辑。

网页：http://spe.sysu.edu.cn/node/401

周张凯

https://www.x-mol.com/university/faculty/65029

2）Cheng-Wei Qiu（仇成伟）

Biography: Prof. Cheng-Wei Qiu received his B.Eng. (USTC) and Ph. D. (NUS) degree in 2003 and 2007, respectively. He was a Postdoctoral Fellow at Physics Department in MIT till the end of 2009. Since December 2009, he joined NUS as an Assistant Professor and was promoted to Associate Professor with tenure in Jan 2017. He was appointed Dean’s Chair Professor twice (2017-2020 & 2020-2023) in Faculty of Engineering, NUS. He was Fellow of The Electromagnetics Academy, US.

He was the recipient of the SUMMA Graduate Fellowship in Advanced Electromagnetics in 2005, IEEE AP-S Graduate Research Award in 2006, URSI Young Scientist Award in 2008, NUS Young Investigator Award in 2011, MIT TR35@Singapore Award in 2012, Young Scientist Award by Singapore National Academy of Science in 2013, Faculty Young Research Award in NUS 2013, SPIE Rising Researcher Award 2018, Young Engineering Research Award 2018, and Engineering Researcher Award 2021 in NUS, and World Scientific Medal 2021 by Institute of Physics, Singapore.

His research is known for the structured light for beam manipulation and nanoparticle manipulation. He has published over 350 peer-reviewed journal papers. He was Highly Cited Researchers in 2019, 2020, 2021 by Web of Science. He has been serving in Associate Editor for various journals such as JOSA B, PhotoniX, Photonics Research, and Editor-in-Chief for eLight. He also serves in Editorial Advisory Board for Laser and Photonics Review, Advanced Optical Materials, and ACS Photonics.

Webpage link:

https://online.ece.nus.edu.sg/staff/web.asp?id=eleqc

仇成伟

https://www.x-mol.com/university/faculty/298941

3) Lin Wu（吴琳）

Biography: Dr. Wu Lin is currently an Associate Professor in the Science, Mathematics, and Technology Cluster at the Singapore University of Technology and Design (SUTD) and holds a joint appointment as Senior Scientist I at the Institute of High Performance Computing (IHPC) of A*STAR. She received a B.Eng. degree with 1st class Honour (2005) and a Ph.D. degree (2009) from Electrical and Electronic Engineering Nanyang Technological University, Singapore. From 2009 to 2021, she worked in the IHPC of A*STAR as a computational scientist. Her research interests include theory and modeling in nanophononics and nanoplasmonics, emphasizing quantum technology and sensing applications. She has authored or co-authored two book chapters and ~60 refereed journal papers, including Optics Express, ACS Nano, Science, Nature Communications, Nature Photonics, Advances in Optics and Photonics, Advanced Optical Materials, and Nano Letters. She also holds three United States patents.

Webpage link:

https://smt.sutd.edu.sg/faculty/wu-lin/

（本稿件来自ACS Publications）

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