最近，物理學院、光電材料與技術國家重點實驗室王雪華教授研究團隊在光子與單激子強耦合相互作用量子調控理論及實驗研究方面取得了重大進展，最新研究成果以“Strong Light-Matter Interactions in Single Open Plasmonic Nanocavities at the Quantum Optics Limit”為題發表在2017年6月8日的物理學頂級刊物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）與光子的強相互作用不僅是量子光學基本問題的一個理想檢驗平臺，而且在量子器件、光電子集成、超靈敏和精密測量、量子計算與量子通訊等方面有巨大的應用，因此，它一直是國際學術前沿與熱點研究領域之一。

在極低溫和高真空的極端條件下，科學家們已在各種固態光學微腔系統中實現了單激子與光子的強耦合相互作用以及量子態的調控。但在常溫常壓下，單激子與光子的強耦合相互作用（即量子光學極限水平上的光與物質強耦合相互作用）的實現和調控一直是一個巨大的挑戰，是該研究領域嘗未攻克的世界級難題。

為攻克這一難題，世界多個研究組為此竟相開展研究：法國里昂第一大學的Bellessa研究組于2004年、美國Rice大學的Halas研究組于2008年、德國Oldenburg大學的Lienau研究組于2013年先后在室溫下觀測到大量的激子與不同表面等離激元的強相互作用【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Shegai研究組才把與表面等離激元強相互作用的激子數降到了80個左右【Phys. Rev. Lett. 114, 157401 (2015)】；2016年，英國劍橋大學Baumberg研究組實現了表面等離激元與2.5個激子（統計平均意義上的激子數）的強相互作用【Nature 535, 127 (2016)】。

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研究團隊在該問題上開展了近5年的攻關研究，他們在常溫常壓下實現了1.38個激子（統計平均意義上的激子數）與單個納米顆粒表面等離激元的強耦合相互作用，是到目前為此該研究領域國際上的最好研究記錄。因此，該工作被審稿人高度評價為 “I believe these results are very great”。該研究結果離最終實現確定性單激子（而非統計意義的單激子）與表面等離激元強耦合相互作用尚有一步之遙，這“一步之遙”已成為目前國際上各相關研究組競相攻克的下一目標，王雪華教授團隊也正在為此作進一步的努力。

王雪華教授研究團隊在上述工作中首先構建了多激子與單個表面等離激元模式耦合相互作用的全量子理論，給出了簡潔的實現強耦合作用的“量子光學極限條件”。依據該理論，研究團隊精心設計和制備出方形銀包金納米棒結構，實現了將光子局域在71 nm3 的超小模體積內，同時，巧妙地實現了單激子偶聯以及小于0.9 nm的超短作用距離的精確控制，最終實現了單個J-aggregate激子與單根納米方棒之間高達～41.6 meV的耦合作用強度，在室溫下成功觀測到1-7個激子與單個等離激元納米方棒的強耦合相互作用。

該研究工作由王雪華教授研究團隊獨立完成，第一作者是劉仁明特聘研究員（王雪華教授13級博士研究生、現任職中山大學物理學院）、周張凱副教授（王雪華教授研究團隊骨干成員）和余奕聰講師（王雪華教授08級博士研究生、現任職佛山科學技術學院物理與光電工程學院），王雪華教授是該工作通訊作者。該工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、以及光電材料與技術國家重點實驗室的大力支持。

圖 一. (a) 單個Au@Ag方棒及單個Au@Ag 方棒/J-聚體強耦合系統的暗場測量結果；(b) 單個Au@Ag 方棒/J-聚體系統中所觀測到的反交叉色散關系。

圖 二. (a) 在不同Au@Ag 方棒/J-聚體系統中所觀測到的散射光譜Rabi 劈裂；(b) 在經過不同染料濃度處理的樣品中所觀測到的單個Au@Ag 方棒/J-聚體強耦合系統Rabi 劈裂統計。