由于金属中电荷密度波集体振荡效应（等离激元），光场得以突破衍射极限而局域在极亚波长的体积内。因此，亚波长尺寸的金属颗粒可视为一个光学纳腔（或光学天线），极大地增强颗粒周边的电磁场强度与局域光学态密度。光学纳腔在增强单分子拉曼/荧光光谱、光与量子体系的强相互作用、非线性光学倍频/高次谐波、光学传感等领域有诸多应用。近三年来，依托武汉大学人工微结构教育部重点实验室，我院徐红星、张顺平研究团队在光学纳腔中的二维量子体系光学性质的调控方面取得系列进展。

     2017年，该团队将银纳米棒作为表面等离激元法布里-珀罗腔与单层二硒化钨结合，利用纳腔的真空场与二硒化钨中的激子之间的强相互作用，实现室温下对激子跃迁的能级调控，即Rabi劈裂（Nano Lett. 2017, 17, 3809-3814）。随后，他们选择具有更高光场局域度的纳腔——由单个银纳米立方与金膜组成的纳米间隙系统，并将单层二硒化钨夹在纳米立方与金膜之间。此时二维量子体系感受到更加局域的光场，因此参与耦合的激子数目也将更少，体系越发趋近于具备量子性。他们利用暗场散射光谱观察到了Rabi劈裂，指出复合体系处于中等强度耦合区间，即能量转移区（能量从等离激元单向地、超快地流向二维激子）。他们观察到二维激子的自发辐射荧光得到了极大的增强，相较于没有银纳米立方的地方，间隙区域中的激子荧光增强达到了近1000倍（图一）。需要指出的是，此时的荧光增强不再是传统的等离激元增强荧光，而是更为广义的Plexciton 增强荧光。研究成果以题为“Light-Emitting Plexciton: Exploiting Plasmon-Exciton Interaction in the Intermediate Coupling Regime”发表在ACS Nano 2018, 12, 10393-10402上。

图一 银纳米立方-二硒化钨-金膜组成的复合纳腔中的Rabi劈裂与荧光增强

2018年，该团队利用表面增强拉曼光谱技术，将二维体系当成原子探针，将纳米间隙中的电磁场增强定量化地测量出来，解决原子级光腔中光场强度表征困难的难题（Light: Science & Applications 2018, 7, 56）。近日，团队进一步将前期工作结合起来，在同一个体系上同时对二维体系的共振拉曼与荧光的进行增强，并以此为基础估算得到了时间尺度为数十飞秒（10-15秒）的二硒化钼激子超快衰减寿命。他们设计银纳米立方-单层二硒化钼-金膜体系（图二），通过等离激元共振波长扫描技术实现了对于拉曼与荧光增强倍数的调制并且精确获得了增强倍数。在等离激元共振峰位与激子共振波长重合时，表面增强拉曼与表面增强荧光同时达到最大，分别为约107和6000倍。更重要的是，通过对这两个增强系数的比较，他们估测得到纳腔中二硒化钼激子的超快的衰减寿命，最快可达22飞秒。纳米尺度上的超快动力学测量一直以来是一个挑战，同时保证高时间分辨率与高空间分辨率的要求使得传统飞秒激光泵浦-探测技术很难满足这一要求。而团队所发展的纳腔增强光谱技术则可以间接地实现对一个纳腔中超快衰减过程的探测，为理解纳腔中的光-物质相互作用、设计超快发光器件等应用提供一个新的手段。论文以“Simultaneous Surface-Enhanced Resonant Raman and Fluorescence Spectroscopy of Monolayer MoSe2: Determination of Ultrafast Decay Rates in Nanometer Dimension”为题在著名学术刊物《Nano Letters》上发表。论文第一署名单位是武汉大学物理科学与技术学院，第一作者是我院博士生张业鑫，张顺平副教授和徐红星院士为共同通讯作者。

图二 银纳米立方-二硒化钼-金膜组成的复合纳腔中的超快衰减速率的测量与调制

上述研究工作得到国家重点研发计划、973项目、国家自然科学基金委和中国科学院先导专项等项目的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b02425

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b05880