本研究通过将等离激元纳米腔与一维光子晶体结构相结合，构建了一种新型混合光学微腔，旨在克服传统微腔中光与物质相互作用强度对量子点空间位置敏感度较高的问题。实验结果表明，该混合腔结构实现了更为均匀且稳定的局域电场分布，观测到高达170 meV的单激子拉比劈裂，并将荧光寿命缩短至原来的五分之一。该研究为在室温条件下构建性能稳定、可重复性高的固态强耦合量子系统提供了一条全新的路径。

中文标题：迈向可靠的量子器件：实现高鲁棒性的室温强耦合

英文原题：Robust strong coupling of single quantum emitters with plasmonic nanocavity on one-dimensional photonic crystal substrate

通讯作者：

许秀来，北京大学物理学院

张斗国，中国科学技术大学物理学院

第一作者：

富博文，北京大学物理学院

关键词：等离激元纳腔；单量子点；光与物质相互作用；光子晶体腔；强耦合

【背景介绍】

腔量子电动力学（cQED）中的强耦合效应是实现量子信息相干操控与交换的重要物理基础。当单个量子发射体与光学微腔的耦合强度超过系统的总体耗散速率时，二者会形成光与物质杂化的新本征态，即激子极化激元。传统介质光学微腔虽能实现较高的品质因子，但其光学模式体积受限于衍射极限，难以进一步提升光与物质的耦合强度。等离激元纳米腔可将光场局域在深亚波长尺度，显著压缩模式体积，然而其固有的局域电场空间分布不均匀性，导致耦合强度对量子发射体的位置高度敏感。这种强烈的位置依赖性，已成为制约基于固态体系的量子器件性能一致性及规模化制备的关键瓶颈。

【研究成果】

为解决单量子点与等离激元纳米腔耦合器件中耦合强度对位置高度敏感的问题，北京大学许秀来教授、龚旗煌院士团队与中国科学技术大学张斗国教授团队合作，设计并实现了一种由一维光子晶体（1DPC）与领结型（bowtie）等离激元纳米腔构成的混合光学腔系统。其核心物理机制在于，利用一维光子晶体衬底所支持的布洛赫表面波（Bloch Surface Wave）与领结型纳米腔的近场模式进行耦合，从而有效优化纳米间隙内的电场分布（如图1所示）。模拟计算结果表明，该混合结构不仅使间隙内的平均电场强度提升了近3倍，更重要的是实现了纳米腔区域内电场的均匀化分布。

实验上，通过暗场散射光谱观测到了清晰的拉比劈裂现象。在单量子点耦合条件下，混合腔的拉比劈裂值集中分布于146–176 meV区间，平均劈裂值提升至156.2 meV，相较于传统腔体的140.4 meV提高了约11%，且其统计分布更为集中，体现了耦合一致性的显著改善。通过扫描电子显微镜（SEM）成像计数及量子点发光闪烁行为的分析，确认了单量子点的成功耦合。此外，荧光寿命测量显示，孤立量子点的荧光寿命为12.02 ns，在与传统腔耦合后缩短至5.8 ns，而在混合腔中则进一步缩短至2.23 ns。该结果充分说明了局域光子态密度的增强以及耦合强度的提升，从而进一步证实了混合腔在增强及均匀化耦合方面的有效性。

图1：混合纳腔结构示意图及其腔内电场分布

【未来方向】

研究团队提出的“光子晶体—等离激元”混合腔范式，为精确调控纳米尺度光场空间分布提供了一条普适而有效的途径，其设计理念可推广至纳米棒二聚体、核-壳结构等其他等离激元系统。通过在室温下实现确定性、高均一性的单激子-单光子强耦合，该工作为开发高性能的固态量子光源、单光子晶体管和量子逻辑门等功能器件奠定了基础。更重要的是，鲁棒性的提升意味着器件对制造误差的容忍度更高，从而向着量子器件的规模化集成迈出了关键一步。

【主要作者简介】

许秀来：北京大学物理学院博雅特聘教授。主持科技部重点研发项目、国家自然科学基金重大项目、青年科学基金项目(A类)等。主要从事量子体系光电子学领域的研究，具体包括低维半导体光电性质、高效量子光源与探测，以及低维量子体系与光子晶体微腔、表面等离激元纳腔的相互作用等。

张斗国：中国科学技术大学物理学院教授。主持国家自然科学基金委重点、面上项目等。主要研究领域包括新一代光学成像、传感与检测技术，新型微纳光子学元器件，光场调控物理及应用，以及新型光子学技术在环境科学、信息科学、生命科学中的应用。

富博文：北京大学物理学院博士。

【引用本文】

Bowen Fu, Longlong Yang, Yu Yuan, et al. Robust strong coupling of single quantum emitters with plasmonic nanocavity on one-dimensional photonic crystal substrate. Fundamental Research, 6(2) (2026) 725-732.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325825002109

【关于期刊】

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