中山大學新聞網訊（通訊員雷世菁）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單層二硫化鎢（WS2）二維材料中實現了少激子(<10)與等離激元模的室溫量子強耦合，并首次實驗觀測到光譜劈裂與能級劈裂之間的巨大差異。該工作豐富和拓展了人們對光與輻射子強耦合相互作用的認知，并有望構建基于二維材料的緊湊、高性能室溫量子器件。
室溫量子態具有非常重大的科學和應用價值，室溫下幾個乃至單個輻射子與光子模的強耦合是實現室溫人工量子態的關鍵。近年來，要實現逼近量子極限的室溫強耦合，研究者要么使用具有高度局域電場的金屬納米結構（如二聚體、鏡上納米顆粒(NPoM)等等），要么使用具有較大偶極矩的量子材料（如J-聚體、量子點等等）。二維TMDCs材料因其同時具有原子級的厚度、良好的化學惰性和光學穩定性等優勢，被認為是實現少激子室溫強耦合量子態最具潛力的新興量子材料之一。但因其偏小的、且近面內的激子躍遷偶極矩，導致極難在二維TMDCs材料中實現少激子與光子的室溫強耦合。
王雪華教授團隊在前期研究的基礎上【Phys. Rev. Lett. 118，237401 (2017)；Nano Lett. 22, 4686 (2022); Phys. Rev. Lett. 130, 143601 (2023)】，就該難題開展了多年的攻關研究。他們實驗制備出頂角曲率半徑約為1 nm的Au@Ag長方納米顆粒（如圖1b、c所示），它產生具有大的面內橫向分量的高度局域化電場，成功在單層WS2中實現了激子數小于10的少激子與等離激元模的室溫強耦合（如圖1d所示），這是迄今為止在二維材料體系內觀察到最少激子數的室溫強耦合。
圖1. (a) 單個Au@Ag 納米顆粒與單層WS2耦合的結構示意圖；(b) Au@Ag納米顆粒在銅網上的TEM圖、HAADF-STEM圖以及元素映射圖。紅色數字對應Au@Ag納米顆粒的曲率半徑（單位 nm）；(c) Au@Ag 納米顆粒各角曲率半徑的尺寸分布；(d) 4種不同的Au@Ag 納米顆粒-WS2雜化結構的暗場散射光譜以及對應的耦合強度，其中i圖對應激子數少至7；(e-h)中，藍色點是實驗測量的SS色散，藍色（紅色）的實線是計算的SS (LS)色散關系。SS色散和LS色散分別由不同公式計算得到（未做的相等假設）；(i) SS色散和LS色散的相對偏差、SS寬度、LS寬度與耦合強度g的關系圖，彩球代表實驗結果。
眾所周知，量子態能級通常是通過光子吸收或輻射來進行測量。低溫和真空下的大量實驗證明“強耦合量子系統的光譜劈裂等于其能級劈裂（ΩSS = ΩLS ≈ 2g）”。這一傳統認知被廣泛用于強耦合量子系統耦合強度g的實驗測量，包括室溫強耦合量子系統。王雪華教授團隊首次實驗證明（如圖1e-1i所示）：在常溫下光譜劈裂和本征能級劈裂之間存在顯著的差異，其相對偏差高達100.6%；在少激子室溫強耦合系統中，基于前述傳統認知測量的耦合強度g被嚴重高估；只有當系統的耦合強度g遠大于系統的耗散時，前述的傳統認知才是有效。
相關研究成果以“Room-Temperature Strong Coupling of Few-Exciton in a Monolayer WS2 with Plasmon and Dispersion Deviation”為題，于2024年1月29日在線發表在國際著名學術期刊《Nano Letters》上。中山大學為該成果的第一署名單位，中山大學物理學院鐘杰博士生和李筠瑜博士后為該工作的共同第一作者，中山大學李威博士后和王雪華教授為共同通訊作者。上述工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省重點領域研發計劃等項目的大力支持。
