量子表面等离激元微纳结构中的荧光辐射研究

Quantum plasmonics is a rapidly growing research field that involves the study of the quantum properties of light and its interaction with quantum matter at the nanoscale. The strong coupling between the quantized surface plasmons and the nano-matters causes the breakdown of the Born-Markovian approximation. The strong confinement of light along the interface and the enhanced spatial extension of the nano-matters also break down the widely-used dipole approximation in the description of quantized light-matter interaction of such structure. In this project, going beyond the Born-Markovian and the dipole approximations, we will study the fluorescence emission of quantum matters at nanoscale placed in a plasmonic nanostructure. Explicitly, we will devote to explore the following contents: 1) The non-Markovian effect on the fluorescence spectrum of a driven two-level quantum system; 2) The non-Markovian effect on the fluorescence spectrum of two isolated two-level quantum systems; 3) The effect of the mesoscopic quadrupole moment on the fluorescence spectrum of the quantum dot. With these series of studies, we expect to reveal the constructive role of the non-Markovian effect and the mesoscopic quadrupole moment on the enhancement of quantum light-matter interaction in such surface plasmonic nanostructures. It might play a significant influence on the applications of plasmonic nanostructures in quantum engineering.

量子表面等离子体学是目前正在迅猛发展的一个研究领域，它涵盖纳米尺度下的光量子特性和光与物质相互作用等方面的研究内容。在表面等离激元微纳结构中，量子物质与表面等离激元的强耦合使得描述量子物质退相干过程的玻恩-马尔可夫近似不再成立；电磁场的空间非均匀分布使得描述光与物质相互作用的偶极近似不再成立。本项目将超越玻恩-马尔可夫近似和偶极近似，探讨表面等离激元微纳结构中量子物质的荧光辐射。具体而言，我们将研究：1)非马尔可夫效应对驱动二能级系统荧光辐射的影响；2)非马尔可夫效应对双独立二能级系统荧光辐射的影响；3)电四极矩对介观量子点荧光辐射的影响。通过这些研究，我们旨在揭示表面等离激元微纳结构中，量子物质的非马尔可夫效应和电四极矩在增强光与物质相互作用中的建设性作用。这将为表面等离激元微纳结构在量子工程中的应用打下物理基础。

表面等离激元是一种被束缚在金属和电介质分界面上传输的电磁波。它的场分布被居于在亚波长尺寸之下，具有显著的表面增强效应，可以在纳米尺度上增强光与物质的相互作用。传统的量子光学中，光物质相互作用的描述基于玻恩-马尔科夫近似。在表面等离激元微纳结构中，增强的光物质相互作用使得该近似不再成立。此外，金属结构内在的电磁损耗带来的退相干效应严重制约该体系在量子信息处理中的实际应用价值。因此，如何实现强耦合，同时稳定系统的量子相干性是个亟待解决的问题。这对从理论上正确的认识表面等离激元微纳结构中的光与物质相互作用提出了新的要求。本项目中，我们超越玻恩-马尔科夫近似研究金属微纳结构中表面等离激元增强的光物质相互作用，关注量子辐射体的退相干行为，探索增强的光物质相互作用在实现退相干抑制和在系统中保持稳定量子相干性过程中的建设性作用。研究发现，系统具有强烈的非马尔可夫效应，在强耦合下系统中将形成一种奇异的局域态——束缚态，即使系统存在金属的耗散作用，一旦束缚态形成，系统的退相干行为将被部分的抑制，系统中可以保持稳定的量子相干性。受本项目资助，在Physical Review系列杂志等发表SCI论文2篇。我们的研究结果丰富人们对损耗介质中光物质相互作用的认识，为表面等离激元微纳结构在量子工程中的实际应用打下理论基础。