[發(fā)明專利]一種等離子體激元激子雜化結(jié)構(gòu)及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010182027.2
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111366998B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李娜;丁寶全;韓梓弘;王曉豐
• 申請（專利權(quán)）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發(fā)明提供一種等離子體激元激子雜化結(jié)構(gòu)及其制備方法和應(yīng)用。所述等離子體激元激子雜化結(jié)構(gòu)包括金屬納米顆粒和組裝有至少一個激子分子的DNA雜化模板；所述金屬納米顆粒通過修飾DNA單鏈與所述DNA雜化模板以堿基互補配對原則進行雜交，所述激子分子處于金屬納米顆粒的等離子體共振增強場內(nèi)。本發(fā)明通過在DNA雜化模板上設(shè)計結(jié)合位點的方式精確組裝所需要的激子分子，從而形成不同光與物質(zhì)耦合強度的雜化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對光與物質(zhì)耦合作用強度的可量化調(diào)控，構(gòu)建一種智能化的等離激元激子雜化結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及凝聚態(tài)物理以及量子光學領(lǐng)域，具體涉及一種等離子體激元激子雜化結(jié)構(gòu)及其制備方法和應(yīng)用，尤其涉及一種可量化控制耦合強度的等離激元激子雜化結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著近年來國際上關(guān)于通信技術(shù)的競爭逐漸趨于白熱化，傳統(tǒng)硅基集成電路工藝受制于量子力學效應(yīng)(如量子隧穿等)已接近其發(fā)展極限。在這樣的背景下，量子信息處理與量子通信技術(shù)可以說是下一個通訊時代的技術(shù)制高點。光與電同為信息傳輸?shù)膬纱筝d體，而要實現(xiàn)量子信息處理與量子通信如何實現(xiàn)糾纏光子對就是一個基本問題，所以光與物質(zhì)之間相互作用的研究越來越受到人們的重視。

光與物質(zhì)的相互作用一般為能量的交換和耦合，通過改變相互作用的條件，可以實現(xiàn)對光和物質(zhì)的調(diào)控。這類調(diào)控不僅適用于經(jīng)典的電磁學領(lǐng)域，也適用于量子光學領(lǐng)域，在量子信息處理、量子通信、單光子開關(guān)、全光學邏輯器件、太陽能電池和調(diào)控化學反應(yīng)速率等方面有著相當廣泛的應(yīng)用前景。

等離子體共振激元指的是貴金屬納米顆粒受到光照后展現(xiàn)出的電子集體震蕩現(xiàn)象，可將其看做一個囚禁光子的光學腔。它的亞波長和亞衍射極限場局域特性大大降低了以實驗手段研究光與物質(zhì)相互作用的難度，因而備受研究者青睞。等離子體激元激子雜化結(jié)構(gòu)可看做存在光子和量子糾纏的狀態(tài)，是形成量子糾纏對的前提，而后者是量子計算、量子通訊等領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)。正是由于上述諸多應(yīng)用價值，近些年研究人員致力于調(diào)控等離激元與激子分子耦合作用的研究。

關(guān)于利用金蝴蝶結(jié)納米天線構(gòu)建等離子體共振增強體系與灑落在蝴蝶結(jié)中心孔洞內(nèi)的量子點產(chǎn)生不同強度耦合作用的現(xiàn)象已有報道，但這種結(jié)構(gòu)的缺陷在于，散落在孔洞內(nèi)的量子點數(shù)目及位置是完全隨機的，因此產(chǎn)生的耦合作用也無法提前預(yù)測，更無法根據(jù)研究者的主觀意愿實現(xiàn)精確調(diào)控(參見Santhosh K,Bitton O,Chuntonov L,etal.Vacuum Rabi splitting in a plasmonic cavity at the single quantum emitterlimit[J].Nature Communications,2016,7:ncomms11823)。

也有研究者以二維材料作為激子，通過調(diào)節(jié)金屬納米顆粒與金膜之間三氧化二鋁隔離層的厚度實現(xiàn)從弱耦合到強耦合過度的研究，但這種方法的弊端在于結(jié)構(gòu)組裝復(fù)雜，調(diào)控不易，且僅有隔離層厚度這一單一調(diào)控參數(shù)，調(diào)控范圍和精度均受到明顯限制(參見Wang X,Cui Y,Li T,et al.2D Functional Systems:Recent Advances in theFunctional 2D Photonic and Optoelectronic Devices[J].Advanced OpticalMaterials,2019,7(3))。

因此，如何實現(xiàn)光與物質(zhì)耦合作用強度的可量化調(diào)控，構(gòu)建一種智能化的等離激元激子雜化結(jié)構(gòu)是目前急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種等離子體激元激子雜化結(jié)構(gòu)及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明中提供的雜化結(jié)構(gòu)將激子分子組裝在DNA雜化模板上，實現(xiàn)了激子分子的定位組裝，不再需要對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的尺寸等參數(shù)進行精密設(shè)定，實現(xiàn)光和物質(zhì)耦合作用強度的可量化調(diào)控。

為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：