光與物質之間的強耦合作為一種基本的量子光學現(xiàn)象，具有重要的科學意義。當量子發(fā)光體與光腔的耦合強度超過兩者的平均損耗時，強耦合發(fā)生，形成部分光部分物質的極化激元態(tài)，在玻色-愛因斯坦凝聚、極化激元激光、量子信息等領域具有重要的應用價值。介質光腔的模式體積受到衍射極限的制約，從而限制了其能達到的耦合強度。表面等離激元可以將光場限制在納米尺度空間，實現(xiàn)突破衍射極限的光場操控，因此，等離激元納米結構成為具有超小模式體積的納米光腔。模式體積的減小使等離激元納米結構與量子發(fā)光體的耦合強度更大，可在室溫下發(fā)生強耦合，甚至可以實現(xiàn)單激子水平的強耦合。 8^1 Te m  
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目前，對表面等離激元與激子強耦合體系的實驗研究主要是利用散射、反射和透射光譜，強耦合會導致這些光譜的劈裂，反映出各個極化激元態(tài)的形成。然而，在光致發(fā)光譜（熒光譜）中，主要觀測到光譜的展寬或低能量的極化激元態(tài)。這些強耦合體系的熒光譜線特征的起源尚不清楚。相比于散射等光學過程，熒光過程更加復雜。在耦合體系中，部分熒光通過表面等離激元的散射發(fā)出。此外，探測到的熒光信號中通常也包含未與表面等離激元耦合的激子的熒光。由于熒光發(fā)射過程和信號組成的復雜性，從熒光譜中提取出強耦合信息更加困難。
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中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員魏紅課題組與武漢大學教授徐紅星課題組合作，針對上述問題開展研究。科研團隊設計了銀納米線與單層WSe2的耦合體系，由于銀納米線支持傳輸?shù)谋砻娴入x激元，使區(qū)分不同來源的熒光信號成為可能，為分析表面等離激元與激子耦合的基本物理過程及強耦合的光譜特性提供了一個理想體系。耦合體系的散射光譜中出現(xiàn)由一個或兩個表面等離激元模式與激子耦合引起的拉比劈裂（圖1），拉比劈裂大小超過表面等離激元與激子的平均損耗，表明強耦合的發(fā)生。研究利用納米線表面等離激元的傳輸提取出通過表面等離激元發(fā)射的熒光，表明熒光譜和散射譜具有相同的線型特征，熒光譜上也表現(xiàn)出由表面等離激元-激子強耦合產生的兩個極化激元態(tài)（圖2）。研究利用耦合振子模型并結合單層WSe2的熒光譜，計算得到耦合體系的熒光譜，對計算數(shù)據(jù)分析的結果與實驗結果一致（圖3）。該研究揭示了表面等離激元-激子強耦合體系中熒光發(fā)射過程與表面等離激元散射過程的關系，理清了熒光的光譜特征形成的原因，為剖析表面等離激元-激子耦合體系豐富的光譜現(xiàn)象提供了新方法和新思路。 Vv=. -&'  
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相關研究成果以Unified Scattering and Photoluminescence Spectra for Strong Plasmon-Exciton Coupling為題，發(fā)表在Physical Review Letters上。研究工作得到國家自然科學基金和中科院的支持。