[发明专利]一种等离子体激元激子杂化结构及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种等离子体激元激子杂化结构及其制备方法和应用。所述等离子体激元激子杂化结构包括金属纳米颗粒和组装有至少一个激子分子的DNA杂化模板；所述金属纳米颗粒通过修饰DNA单链与所述DNA杂化模板以碱基互补配对原则进行杂交，所述激子分子处于金属纳米颗粒的等离子体共振增强场内。本发明通过在DNA杂化模板上设计结合位点的方式精确组装所需要的激子分子，从而形成不同光与物质耦合强度的杂化结构，实现对光与物质耦合作用强度的可量化调控，构建一种智能化的等离激元激子杂化结构。

技术领域

本发明涉及凝聚态物理以及量子光学领域，具体涉及一种等离子体激元激子杂化结构及其制备方法和应用，尤其涉及一种可量化控制耦合强度的等离激元激子杂化结构及其制备方法。

背景技术

随着近年来国际上关于通信技术的竞争逐渐趋于白热化，传统硅基集成电路工艺受制于量子力学效应(如量子隧穿等)已接近其发展极限。在这样的背景下，量子信息处理与量子通信技术可以说是下一个通讯时代的技术制高点。光与电同为信息传输的两大载体，而要实现量子信息处理与量子通信如何实现纠缠光子对就是一个基本问题，所以光与物质之间相互作用的研究越来越受到人们的重视。

光与物质的相互作用一般为能量的交换和耦合，通过改变相互作用的条件，可以实现对光和物质的调控。这类调控不仅适用于经典的电磁学领域，也适用于量子光学领域，在量子信息处理、量子通信、单光子开关、全光学逻辑器件、太阳能电池和调控化学反应速率等方面有着相当广泛的应用前景。

等离子体共振激元指的是贵金属纳米颗粒受到光照后展现出的电子集体震荡现象，可将其看做一个囚禁光子的光学腔。它的亚波长和亚衍射极限场局域特性大大降低了以实验手段研究光与物质相互作用的难度，因而备受研究者青睐。等离子体激元激子杂化结构可看做存在光子和量子纠缠的状态，是形成量子纠缠对的前提，而后者是量子计算、量子通讯等领域的研究基础。正是由于上述诸多应用价值，近些年研究人员致力于调控等离激元与激子分子耦合作用的研究。

关于利用金蝴蝶结纳米天线构建等离子体共振增强体系与洒落在蝴蝶结中心孔洞内的量子点产生不同强度耦合作用的现象已有报道，但这种结构的缺陷在于，散落在孔洞内的量子点数目及位置是完全随机的，因此产生的耦合作用也无法提前预测，更无法根据研究者的主观意愿实现精确调控(参见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)。

也有研究者以二维材料作为激子，通过调节金属纳米颗粒与金膜之间三氧化二铝隔离层的厚度实现从弱耦合到强耦合过度的研究，但这种方法的弊端在于结构组装复杂，调控不易，且仅有隔离层厚度这一单一调控参数，调控范围和精度均受到明显限制(参见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，如何实现光与物质耦合作用强度的可量化调控，构建一种智能化的等离激元激子杂化结构是目前急需解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种等离子体激元激子杂化结构及其制备方法和应用。本发明中提供的杂化结构将激子分子组装在DNA杂化模板上，实现了激子分子的定位组装，不再需要对复杂结构的尺寸等参数进行精密设定，实现光和物质耦合作用强度的可量化调控。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：