近日，武汉大学物理科学与技术学院丁涛教授与华中科技大学化学与化工学院甘泉教授合作在量子等离激元的可逆调谐方面取得重要进展。相关研究成果以《基于超分子相互作用实现等离激元纳米空腔在经典和量子区间切换》(“Switching plasmonic nanogaps between classical and quantum regimes with supramolecular interactions”)为题发表在《科学》子刊《科学进展》 (Science Advances)上。武汉大学博士研究生张弛为第一作者，华中科技大学李东尧博士为并列第一作者；丁涛教授和甘泉教授为论文共同通讯作者，武汉大学为论文第一署名和通讯作者单位。

在极端纳米光场下（纳米间隙通常小于1纳米），光学近场得到极大的增强，从而表现出一系列新奇的物理现象，为单分子强耦合和单原子量子催化提供了可能。然而，要让纳米间隙小到量子区间（~0.5 nm）却非常困难，更不必说可以实现量子隧穿区间的可逆调控了。

研究者们巧妙地利用了一种尺寸在1纳米左右的芳香族低聚酰胺折叠体分子，将其作为介质单分子层放置于金颗粒和金薄膜之间（图1）。通过调节溶剂和温度， 可以调控折叠体的超分子组装构型，进而对等离激元谐振进行调制 (图2A)。

图1.超分子折叠体在等离激元纳腔中的示意图。感谢刘璐彬在该示意图绘制方面的帮助。

在量子隧穿极限附近，等离激元谐振随着纳米间隙的不断减小呈现出先红移后蓝移的特征，与经典和量子校正模型吻合较好(图2B）。在量子隧穿状态下，研究者们观测到等离激元诱导热电子隧穿可使纳米间隙的电导率增加，导致量子等离激元发生可逆蓝移（图2C,D），这为光学可调谐的量子等离激元提供了器件原型。

图2.基于超分子折叠体的量子等离激元调控。(A)温度变化导致折叠体由双螺旋向单螺旋转变进而实现量子与经典等离激元切换。(B)等离激元共振波长在量子极限附近的变化曲线，实验与理论符合较好。(C)光学激发等离激元热电子调制量子等离激元。(D)光学诱导量子等离激元可逆多次调控。

该研究受到国家重点研发计划(2020YFA0211300，2017YFA0303402)和国家自然科学基金(NSFC 11974265, 91850207, 21703160)的资助，研究过程中还得到毛力教授和徐红星院士大力支持。

论文信息：Zhang et al., Switching plasmonic nanogaps between classical and quantum regimes with supramolecular interactions. Sci. Adv. 8, eabj9752 (2022).

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9752