近日，我校物理与电子学院黄河学者刘仁明教授团队与中山大学等单位合作，在等离激元-激子室温强耦合调控方面取得系列研究进展，相关成果发表在《Physical Review Letters》《Nano Letters》和《Science China-Physics, Mechanics & Astronomy》等国际权威期刊。
研究进展一：实现高效等离激元-单激子室温强耦合量子调控
等离激元-单辐射子强耦合为室温单光子水平制备和操纵量子态提供了可能，其在室温量子信息处理领域拥有广阔的应用前景。然而，等离激元共振的巨大损耗使其与单辐射子强耦合十分低效（当前其成功率仅~1%），严重阻碍其实际应用。为突破这一瓶颈，刘仁明教授与中山大学王雪华教授团队合作，巧妙利用泄露型Fabry-Perot（F-P）光学介质微腔来设计金属等离激元谐振腔所处的电磁环境，成功将单个金属纳米颗粒等离激元共振衰减线宽压缩为原来的1/3，实现其与激子线宽的较好匹配；在降低等离激元共振损耗的同时，协同调节等离激元-单激子耦合系统量子奇异点临界耦合强度，大幅增加了耦合系统能级劈裂宽度并降低了耦合系统衰减线宽。借助光学介质微腔较低损耗电磁环境设计，在常温、常压条件下实现了等离激元-单激子强耦合作用，并将其成功率由当前的~1%大幅提高至~80%。
该成果将为基于单辐射子强耦合作用的室温光量子器件开发研究提供重要的理论与实验参考。相关研究成果以“Highly Efficient Single-Exciton Strong Coupling with Plasmons by Lowering Critical Interaction Strength at an Exceptional Point”为题发表在《Physical Review Letters》期刊上，并被选为编辑推荐（Editors' Suggestion）在期刊主页高亮展示。中山大学李威博士为论文第一作者，河南大学刘仁明教授和中山大学王雪华教授为共同通讯作者。上述工作得到了国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金委等项目支持。
研究进展二：实现等离激元与确定性单量子点室温强耦合
实现确定性单激子与单纳米颗粒光子模的室温量子强耦合是一个尚未解决的难题。为解决这一问题，刘仁明教授与中山大学王雪华教授团队合作，利用分子耦连技术和光照光力吸引原理将单个壳层量子点链接到单金纳米棒端部电场最强的热点位置。当该耦合系统与碳薄膜衬底形成“楔形腔”构型时，光场能够被更加有效地“拉入”并局域在量子点激子所在的壳层，显著增强激子与光子的相互作用、从而克服室温下的巨大耗散。结合暗场散射光学测量与冷冻电镜断层成像技术，确认在常温常压下实现了单量子点与单个金属纳米棒光子模的量子强耦合，观测到了迄今为止单激子强耦合系统散射光谱的最大Rabi劈裂（~234 meV），为规模化制备室温固态单量子比特开辟了一条可行的路径。
该成果以“Room-Temperature Strong Coupling Between a Single Quantum Dot and a Single Plasmonic Nanoparticle”为题发表在《Nano Letters》期刊。中山大学李筠瑜博士和李威博士为共同第一作者，河南大学刘仁明教授和中山大学王雪华教授为共同通讯作者。上述工作得到了国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金委等项目和河南大学的支持。
研究进展三：等离激元模式与多个不同激子态之间的强耦合
等离激元-激子强耦合作用的研究中大多基于单一激子态，强耦合作用所产生的杂化态（量子比特态）只有两个，难以满足基于多量子比特的量子信息处理需求。由此，进一步研究和开发等离激元与多个不同激子态之间的强耦合作用理论模型及实验平台非常重要。刘仁明教授团队在理论研究基础上（Phys. Rev. B 103, 235430 (2021)），综合利用格林函数、海森堡运动方程及数值计算等方法构建了等离激元与多个不同激子态之间强耦合作用的量子力学理论模型，实现了对等离激元-多个不同激子态强耦合系统吸收光谱响应、能量色散关系等基本属性的准确描述。同时，采用静电组装技术制备了Au@Ag NR/S0041@S2165@2278 J-aggregates杂化系统，在实验上成功展示了等离激元与三个不同激子态的室温强耦合作用，并利用飞秒激光超快泵浦-探测技术研究了该强耦合系统的瞬态吸收特性。研究发现，强耦合作用所产生的杂化态与金属纳米谐振腔的声学声子振荡之间具有相互调控作用。相关研究不仅为基于等离激元共振研究多模杂化及多量子比特操控提供了有力的理论工具，同时也为基于等离激元-多激子态强耦合作用研究超快能量传递、开发超快等离激元及声子器件等提供了良好平台。
相关研究成果以“Strong coupling between a plasmon mode and multiple different exciton states”为题发表在《Science China-Physics, Mechanics & Astronomy》期刊上。河南大学物理与电子学院硕士研究生叶俊均、博士研究生潘亚涛和广东技术师范大学刘光辉博士为共同第一作者，河南大学刘仁明教授、冉霞教授和郭立俊教授为共同通讯作者，河南大学为第一署名单位。上述工作得到了国家自然科学基金项目、河南大学的支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.143601
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c00606
https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-022-2029-9
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.235430
