等離激元納米光腔增強光與物質(zhì)的相互作用

郭曉君，陳 環(huán)，郭 蕾，張正龍，鄭海榮

(陜西師范大學 物理學與信息技術(shù)學院，陜西 西安 710119；西安市光信息調(diào)控與增強技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710119)

光與物質(zhì)相互作用是光學領(lǐng)域的重要研究熱點之一。近年來，隨著納米技術(shù)在微納光電器件、光量子開關(guān)以及納米激光器等方面的應用，在納米尺度下實現(xiàn)光與物質(zhì)耦合，研究其相互作用尤為重要。但由于光衍射極限的限制，并且超薄或超小尺寸納米材料的光吸收或光散射截面很小，導致物質(zhì)中原子的電子在兩個不同量子態(tài)之間的躍遷概率很小，這對光與物質(zhì)在亞波長范圍內(nèi)的高效耦合提出挑戰(zhàn)。因此，如何在亞波長范圍內(nèi)耦合光并增強其與納米物質(zhì)相互作用強度是目前納米光學方面的研究重點[1-3]。

表面等離激元(surface plasmons，SPs)，是金屬表面附近自由電子集體振蕩形成的電荷密度波，由于等離激元較大的波矢和天線效應，可將光束縛在亞波長范圍進而突破光的衍射極限[1, 4]。表面等離激元包括沿著金屬-介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x極化激元(surface plasmon polaritons, SPPs)和局限在納米顆粒結(jié)構(gòu)表面的局域表面等離激元(localized surface plasmons, LSPs)[5-6]。在一維或二維金屬-介質(zhì)界面上，通過棱鏡、光柵或顆粒散射耦合實現(xiàn)動量匹配，表面等離極化激元的傳輸距離可達幾十微米，而在界面法向方向上能量呈指數(shù)衰減[7]。利用表面等離極化激元，可實現(xiàn)納米光波導、遠程光譜探測等方面的應用[8-11]。

局域表面等離激元在納米結(jié)構(gòu)(如納米球、棒、盤、錐等)表面被激發(fā)，其表面等離激元的近場光學性質(zhì)強烈依賴于金屬納米結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀及介質(zhì)環(huán)境等參量[12-13]。當入射光頻率接近金屬納米結(jié)構(gòu)電子集體振蕩的頻率時，會產(chǎn)生局域表面等離激元共振(localized surface plasmon resonance, LSPR)[14]，并在納米結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生偶極、四極或多極電磁模式，其附近的電磁場強度會被極大地增強，進而可在納米尺度上實現(xiàn)光與物質(zhì)相互作用的增強[15-17]。由于局域表面等離激元共振效應，可以將光束縛在遠小于光波長的尺度內(nèi)，納米結(jié)構(gòu)扮演納米光腔的作用。等離激元納米光腔一般由單個或多個零維納米結(jié)構(gòu)組成，或金屬零維納米結(jié)構(gòu)與二維薄膜組成的貼片天線結(jié)構(gòu)。雖然等離激元納米光腔的金屬結(jié)構(gòu)本征歐姆損耗較大，品質(zhì)因子較低，但由于其模式體積極小，能夠極大地增強光與物質(zhì)的相互作用強度[18-19]，因此被廣泛應用于增強熒光或拉曼光譜[20-21]、非線性光學效應等。最近理論[22-24]和實驗[25-26]研究表明，當間隙距離減小到亞納米量級，等離激元性質(zhì)會發(fā)生重大變化，將有利于研究電子的量子效應和腔量子電動力學效應，進而促進亞納米技術(shù)在微納光電芯片領(lǐng)域的應用發(fā)展[27-30]。

本文綜述了等離激元納米光腔的基本原理，總結(jié)了等離激元納米光腔實現(xiàn)光與物質(zhì)從弱到強耦合的研究進展，介紹了納米光腔在增強熒光、增強拉曼散射及針尖增強拉曼光譜方面的相關(guān)工作，以及等離激元納米光腔在增強非線性效應和腔量子電動力學等方面的物理機制和應用，最后在手性等離激元光腔、亞納米尺度下光與物質(zhì)相互作用及相關(guān)的潛在應用方面做了展望。

1 等離激元納米腔的光學性質(zhì)

品質(zhì)因子Q和有效模式體積Vm是衡量光學腔增強光與物質(zhì)相互作用能力的兩個重要參數(shù)。品質(zhì)因子可表示為光的圓頻率和腔內(nèi)存儲的能量與單位時間損失能量比的乘積，即

(1)

其中：ω0為光的圓頻率;Ecav為光學諧振腔內(nèi)存儲的能量;Ploss為光學諧振腔損失的能量功率。由此可見，光腔內(nèi)存儲的能量越多且腔內(nèi)損失能量速率越慢，腔的品質(zhì)因子越高。

此外，有效模式體積(Vm)可由以下函數(shù)表示

(2)

其中：E為腔內(nèi)偶極子(僅考慮偶極模式)發(fā)射的電磁波所產(chǎn)生的電場分布;r為腔內(nèi)某點的位置;rc為偶極子的位置;εc為偶極子處介質(zhì)的介電常數(shù)。因此，光場分布越集中且偶極子位置處的光場越強，腔的模式體積越小。

光學腔與納米物質(zhì)(量子發(fā)射體)的耦合強度可以用耦合速率g(能量交換速率)來描述。通過比較g與發(fā)射體激發(fā)態(tài)衰減速率(γ)和腔體耗散速率(κ)的大小，可以衡量不同的耦合機制。在量子電動力學(Quantum electrodynamics, QED)理論中，量子化的電磁場使真空具有零點能，真空漲落的電場可以對激發(fā)態(tài)的電子產(chǎn)生微擾，使得自發(fā)輻射過程發(fā)生，根據(jù)費米黃金定則可以得到其躍遷速率為

(3)

(4)

對于限域的光場，光子電子態(tài)密度重新分布，由公式(3)可知在腔中的輻射速率為

(5)

γ=2κ2μ·Jm[G(rm,rm,ω)]·μ。

(6)

其中：μ為分子的偶極矩；rm為分子與金屬顆粒之間的距離；G為格林函數(shù)，表征金屬顆粒附近分子的衰減速率;J為線性響應常數(shù)；m為等效質(zhì)量。

血磷正常共62例，醫(yī)院生存患者42例、死亡20例，低血磷組共43例，醫(yī)院生存13例、死亡30例，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），即血磷正常、低血磷對患者的醫(yī)院生存有影響，血磷正常組患者的醫(yī)院生存率更高（見表2）。

處于光學腔內(nèi)的發(fā)射體，其周圍的電磁環(huán)境會被光學諧振腔所改變，導致其周圍環(huán)境的局域光子態(tài)密度也會被諧振腔所調(diào)制，即Purcell效應[34]。同時，限域的光場也可以直接增強光與物質(zhì)的耦合，耦合強度[17]為

(7)

強耦合時，g>(γ，k)；弱耦合時，g?(γ，k)；當g與(γ，k)可比擬時，體系處于中等耦合區(qū)域。在弱耦合機制下，腔與發(fā)射體之間的能量交換速率遠小于體系的耗散速率，因此能量在光與物質(zhì)交換之前就被損耗，弱耦合可以對發(fā)射體的輻射速率進行調(diào)控。Purcell因子Fp是衡量自發(fā)輻射速率增加的比率，可由腔內(nèi)自發(fā)輻射速率Γc和自由空間發(fā)射速率Γ0的比率表示，即

(8)

由(8)式可知：Fp正比于腔的品質(zhì)因子(Q)，反比于腔的模式體積(Vm)，即高的品質(zhì)因子和小的模式體積對應高的Purcell因子。等離激元納米光腔通過減小光場模式在空間上的分布體積來增加光與物質(zhì)之間的相互作用。在強耦合區(qū)域，能量交換速率g大于系統(tǒng)的耗散速率，在這種情況下光與物質(zhì)能量交換速度快，即Rabi振蕩[35-37]。

常見的等離激元納米光腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。尺寸為幾十納米的棒(圖1a)或球、盤、殼等金屬結(jié)構(gòu)，可以將電磁場限制在納米結(jié)構(gòu)周圍，圖1a中給出了n=3模式的近場分布。圖1b為間隙型結(jié)構(gòu)如兩個三角形金屬納米顆粒形成的蝴蝶結(jié)腔或金屬二聚體納米腔等，當兩個金屬表面距離很近(幾納米甚至更小)時，就會在表面間隙處產(chǎn)生較強的局域電場，并且間隙處電磁場強度與納米顆粒的形貌有關(guān)。圖1c為貼片天線結(jié)構(gòu)，即金屬納米顆粒-間隙-金屬平面結(jié)構(gòu)，在這樣的結(jié)構(gòu)中電磁場增強大部分沿z軸方向，即豎直方向。

a.單個金屬銀納米棒作為等離激元FP腔(圖中為n=3模式的近場分布)[38];b.蝴蝶結(jié)納米腔(金)的原理圖[39];c.貼片天線型納米光腔的結(jié)構(gòu)[40]。

2 等離激元納米光腔增強光與物質(zhì)的相互作用

2.1 增強光與物質(zhì)耦合

由于光波長和納米尺度物體之間的尺寸不匹配，導致控制光與分子之間相互作用具有挑戰(zhàn)性。利用尺寸匹配的等離激元納米光腔可以增加二者的相互作用，實現(xiàn)光與物質(zhì)的耦合。近年來，等離激元納米光腔與分子、量子點及二維材料等量子體系之間的耦合取得了重要進展。Kinkhabwala和Anger等利用金屬蝴蝶結(jié)等離激元納米光腔實現(xiàn)單分子熒光達到1 340倍的增強[39,41]。2014年，Akselrod等利用等離激元納米光腔使釕熒光發(fā)射超過1 000倍的增強[42]。2016年，Hoang等實現(xiàn)了室溫下單個量子點與等離激元納米光腔耦合，其熒光壽命達到10 ps左右，單個量子點的自發(fā)輻射速率提高了540倍，熒光強度增強約1 900倍[43]。最近的研究表明在室溫下可以實現(xiàn)單分子與腔的強耦合[44]。2017年，Zhang等觀察到單分子與等離激元納米光腔之間的能量交換過程，觀察到的Rabi劈裂值為32.6 meV[45]，實驗中鋅酞分子的躍遷偶極矩與電場分量相互垂直，是導致實驗中Rabi劈裂沒有達到更高值的原因。2016年，Santhosh等在實驗中使用銀蝴蝶結(jié)等離激元納米光腔與半導體量子點耦合，觀測到單個等離激元納米光腔的散射譜出現(xiàn)Rabi劈裂，證明了系統(tǒng)中存在強耦合[46]。對于腔與物質(zhì)的耦合，除了分子與量子點體系外，過渡金屬硫化物由于其強的激子束縛能力也引起人們的關(guān)注。當被束縛的激子進入等離激元納米光腔中時，增強的光子局域態(tài)密度會通過Purcell效應改變激子的輻射壽命。當光與物質(zhì)耦合足夠強時，會到達產(chǎn)生Rabi振蕩的強耦合狀態(tài)，激子和光子形成新的混合極化態(tài)。2018年Kleemann等在室溫下實現(xiàn)了WSe2與等離激元納米光腔的強耦合，并提出了一種增強過渡金屬硫化物與等離激元相互作用的方法，使其能夠在腔中實現(xiàn)室溫下的強耦合，其Rabi劈裂超過140 meV[47]。由此可見，等離激元納米光腔體系的優(yōu)勢體現(xiàn)在室溫和大氣壓下就可以實現(xiàn)光與物質(zhì)從弱到強的耦合。等離激元納米光腔與物質(zhì)的相互作用取決于電磁場模式的重疊程度以及相對朝向，比如文獻[48]報道了利用金屬顆粒-金屬膜組成的納腔中高的局域態(tài)密度來調(diào)控材料的熒光性質(zhì)，使得體系達到中等強度的耦合，導致體系的發(fā)光強度達到最大。隨后其利用與激子躍遷朝向同向的高長徑比平面納腔實現(xiàn)了與單層二硒化鎢的強耦合[49]。在未來更快的輻射速率、更高的量子產(chǎn)率、更強的耦合將會是實驗所追求的目標。另外，等離激元納米光腔的優(yōu)點在于強大的電磁場局域效應，但是如何精準測量電場強度也將成為一個新的研究領(lǐng)域。

a.銀納米立方-金膜構(gòu)成的納米光腔，使得量子點的自發(fā)輻射速率提高了540倍 [43]；b.等離激元納米光腔與量子點強耦合引起的Rabi劈裂和電磁模擬示意圖，標尺為10 nm[46]；c.等離激元納米光腔與過渡金屬硫化合物之間的耦合引起的Rabi劈裂值達到137 meV[47]。

2.2 增強拉曼光譜

拉曼散射是由于分子振動與光相互作用產(chǎn)生的一種非線性散射過程，拉曼光譜包含分子的指紋信息。但由于拉曼散射信號非常弱，為獲得較強且可控的拉曼散射信號，尋求高效可控的拉曼信號增強機制，并實現(xiàn)單分子量級拉曼散射信號的測量和分析顯得尤為重要。利用金屬局域等離激元共振增強的表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering, SERS)是目前增強拉曼光譜的最主要手段。1997年Kneipp和Nie等將光滑的Ag表面進行粗糙化處理，得到了優(yōu)質(zhì)的單分子的拉曼光譜，增強因子高達1014[21,50]。金屬納米結(jié)構(gòu)在共振入射光波長激發(fā)下極大地增強局域電磁場，從而顯著增強金屬納米顆粒附近樣品的拉曼散射信號。對于距離很近的兩個納米顆粒，由于其電磁場耦合作用，可以在間隙處實現(xiàn)分子拉曼信號的增強[51-52]。Xu等在實驗上發(fā)現(xiàn)成對金屬納米顆粒在光場作用下能夠在其納米間隙中產(chǎn)生巨大的電磁場增強效應，是單分子表面增強拉曼光譜的原因，也是其他基于納米間隙效應的物理研究基礎(chǔ)[53]。2016年Li等為了解決納米結(jié)構(gòu)中SERS信號再現(xiàn)性差的問題，合成了Au@AgAuNPs核殼結(jié)構(gòu)的納米間隙，使得染料分子的拉曼信號得到增強[54](見圖3)。近幾年，由于腔陣列的高度靈敏度和高重復性，其在化學和生物醫(yī)學定性和定量分析方面有巨大潛力，通過構(gòu)建腔陣列來增強拉曼散射成為研究熱點。Zuo等將銀沉積在V型納米孔的多孔氧化鋁模板上，制備了錐形銀納米腔陣列，結(jié)果表明，這種由Ag納米顆粒構(gòu)成腔壁破裂陣列比完整腔陣列表現(xiàn)出更高的表面增強拉曼散射活性[55]。隨后該課題組利用物理氣相沉積工藝制備了AgNC陣列三維系統(tǒng)并實現(xiàn)不同納米粒子間的耦合來增強表面拉曼散射，增強因子可達1.74×108[56]。

a.1 nm間隙二聚體內(nèi)的電磁場增強原理，以及金屬納米粒子和二維材料構(gòu)成的納米間隙示意圖[57] ；b.Au@AgAuNPs核殼結(jié)構(gòu)合成示意圖，以及不同核殼結(jié)構(gòu)和拉曼染料的拉曼譜圖[54]。

用金屬化的尖銳探針接近樣品表面，獲得高空間分辨率和高探測靈敏度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，即針尖增強拉曼光譜(tip enhanced Raman scattering，TERS)。TERS提供了一種增強分子拉曼散射信號的有力手段，因為局域表面等離激元共振將誘導位于TERS系統(tǒng)納米間隙內(nèi)的納米級熱點產(chǎn)生顯著的局域電場增強。Zhang等觀測到分辨率低于1 nm 的拉曼光譜并解析了單分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面構(gòu)型。該工作不僅實現(xiàn)了單分子水平的化學成像，而且為研究單分子的光學和光化學過程提供了新的途徑[58](見圖4)。Long等從理論上證明了納米級的“熱點”可以作為強大的光鑷緊緊地夾住分子,計算并分析了這種納米間隙等離激元熱點的局域電場和場梯度分布，由于電場的高度局域化，在熱點處可以形成三維光阱;此外，作用于分子上的光能量密度和光學力可以超過傳統(tǒng)單光束光鑷的水平，對嵌入在TERS系統(tǒng)納米級熱點內(nèi)分子的光學力進行了理論研究和分析[59]。由于拉曼散射本身較弱的信號，導致其較低的檢測靈敏度,這是拉曼光譜應用的瓶頸，不論是表面拉曼散射增強還是針尖拉曼光譜增強，都尋求更強的拉曼信號。 隨著納米科學的快速發(fā)展，基于納米結(jié)構(gòu)的拉曼技術(shù)，將會提供更高分辨率的拉曼信號。由于拉曼信號對電磁場變化具有高敏感性，當分子處于等離激元納米光腔中時，通過分子的拉曼信號增強的測量推導出腔中的電磁場強度，這也成為腔增強拉曼的重要應用。

圖4 側(cè)面激發(fā)模式下隧穿電流控制的TERS示意圖，以及817 cm-1處的TERS強度成像圖及其線性分布曲線[58](a);TERS系統(tǒng)原理圖，以及納米腔中梯度力對分子作用的示意圖[59](b)Fig.4 Schematic tunneling-controlled TERS in a confocal-type side-illumination configuration, TERS intensity profile of the same line trace for the inset Raman map associated with the 817 cm-1 Raman peak[58](a);schematic diagram for a typical TERS system and schematic diagram showing the molecule affected by the gradient force coming from the highly localized and enhanced electric field hot spot within the nanogap[59](b)

2.3 增強非線性效應

微納材料將低能量光子轉(zhuǎn)化為高能量光子的能力在生物成像、藥物傳遞和光伏等多種應用中都具有重要意義。雖然使用宏觀非線性晶體可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，但在納米尺度上轉(zhuǎn)換光仍然具有挑戰(zhàn)性。發(fā)生在貴金屬納米結(jié)構(gòu)中的等離激元光-物質(zhì)相互作用為紅外光在納米尺度非線性上轉(zhuǎn)換提供了可能。2014年Aouani等[60]發(fā)現(xiàn)當單個半導體銦錫氧化物納米顆粒與金二聚體耦合時，其三次諧波會顯著增強。等離激元二聚體充當光學天線，將入射的遠場限制在其間隙處的近場中，位于等離激元二聚體間隙的氧化銦錫納米顆粒作為局域非線性發(fā)射器，將三個頻率為ω的入射光子轉(zhuǎn)換為一個頻率為3ω的光子。與單獨的氧化銦錫納米顆粒相比，利用等離激元納米光腔提供了10倍的三次諧波增強。2016年Metzger等發(fā)現(xiàn)等離激元共振可以在諧波信號的光譜位置處增強非線性光學過程，將氧化銦錫納米顆粒放入等離激元納米線的熱點中，其三次諧波響應增加了一倍[61]。Celebrano等研究了雙共振單晶金納米結(jié)構(gòu)，二次諧波產(chǎn)生的非線性系數(shù)達到5×10-10W-1[62](見圖5)。等離激元納米光腔在增強非線性光學應用中，除可以增強三次諧波和二次諧波外，還可產(chǎn)生連續(xù)白光，如Mühlschlegel等首次報道了金屬納米顆?？梢援a(chǎn)生連續(xù)光的這一重要結(jié)果[63]。產(chǎn)生非線性光學的主要條件之一是強的外界電磁場，并且二次諧波的產(chǎn)生需滿足材料的中心對稱性破壞，而這種不對稱性既可以來自材料本身也可來自外界電磁場引起的對稱性破缺。

2.4 增強量子效應

最大程度地壓縮光場，提升局域場強度是表面等離激元納米光腔共振增強光譜學的核心問題之一。目前，對于多個納米粒子組成的納米結(jié)構(gòu)的理論研究大部分是由經(jīng)典電磁理論模型來完成。但是，這種模型忽略了電子密度溢出和電子隧穿等量子效應。事實上，當間隙距離處于納米或亞納米(<1 nm)尺寸時，金屬結(jié)構(gòu)中電子-電子之間的庫侖作用和泡利不相容原理使得納米結(jié)構(gòu)的量子力學效應顯現(xiàn)，而這種量子效應對納米結(jié)構(gòu)的光學性質(zhì)存在影響，量子化的光場和量子體系之間的相互作用可以用腔量子電動力學來描述，這種量子效應挑戰(zhàn)了等離激元納米間隙的經(jīng)典圖像，并引發(fā)了許多理論和實驗研究[65]。

2012年Esteban等提出了量子修正模型(Quantum-corrected model, QCM)，它將量子效應納入金屬納米結(jié)構(gòu)光學性質(zhì)的經(jīng)典電磁模擬中，QCM方法通過電子隧穿和間隙處隧穿電阻率局部介電響應來模擬相鄰納米粒子之間的耦合方式。利用該方法，可以鑒別和量化量子效應對窄間隙大型金屬納米結(jié)構(gòu)光學響應的影響，并且該方法可廣泛應用于任意形狀和尺寸的金屬納米結(jié)構(gòu)[66](見圖6)。2012年Savage等通過同時測量兩個可控亞納米量級的金納米結(jié)構(gòu)的電學和光學性質(zhì)，對等離激元亞納米間隙的量子隧穿進行了研究[67]。2014年Kravtsov等探討了飛秒輻射壽命狀態(tài)下發(fā)射體光致發(fā)光的行為，發(fā)現(xiàn)在量子耦合狀態(tài)下，發(fā)射強度和場增強將顯著降低[68]。等離激元納米線間隙的光學響應主要是由納米線之間的庫侖作用決定。2015年,Esteban等研究了2根金屬納米棒的形貌對等離激元響應的影響。在圓末端的情況下，等離激元模式隨著間隙的減小出現(xiàn)明顯的紅移，而在平面末端間隙的情況下，會出現(xiàn)兩種截然不同的模式。該工作利用量子修正模型表明，對于亞納米級的間隙，間隙的形態(tài)對等離激元響應有顯著的影響[69]。2019年，Yang等基于金屬納米光腔對幾何變化具有極高光譜靈敏度的特性，開展了金屬立方二聚體納米腔對皮米量級間隙變化的敏感特性的研究工作，該工作考慮了邊界散射的相移和極小間隙極限下的量子隧穿效應，并發(fā)現(xiàn)諧振波長對間隙距離變化的靈敏度高達1 nm/pm[70]，該工作揭示了等離激元納米光腔對空間敏感性的行為，并可為皮米尺度的傳感設(shè)計提供一定的指導作用。2020年，Zhang等采用第一性原理方法，利用經(jīng)典電磁理論和量子修正的電磁模型對金顆粒聚合物的表面等離激元共振模式進行了理論計算，發(fā)現(xiàn)兩個納米顆粒間隙中的電子隧穿過程遵循指數(shù)衰減，對理解間隙中電子隧穿過程提供了一定的理論幫助[71]。

b插圖中的間隙約為17 nm。

圖6 經(jīng)典電磁模型和量子修正模型的納米天線局部電場增強圖[66](a);量子力學效應對等離激元共振的影響，真空中球形二聚體等離激元共振不同機制的示意圖。這些機制由經(jīng)典(紅色虛線)和量子計算(紅色實線)預測的等離激元模式能量[65](b);球面間隙金屬棒和平面間隙金屬棒的示意圖 [69](c);間隙寬度與共振波長的依賴關(guān)系[70](d)Fig.6 Local electric field enhancement in a bowtie antenna using CEM and QCM[66](a);the impact of quantum mechanical effects on plasmonic resonances, these regimes are illustrated by the energies of the plasmonic modes predicted by the classical(red dashed line) and quantum calculations (solid lines) [65](b);schematic of the gap antennas for the spherical-gap and the flat-gap configurations [69](c);gap dependence of the resonance wavelength[70](d)

迄今為止，大多研究量子效應的材料為貴金屬納米顆粒，事實上其他的等離激元材料如鋁、導電氧化物和氮化物也應考慮量子效應。另外，隧穿電子也有可能影響分子本身的物理和化學性質(zhì)。所以，與亞納米間隙有關(guān)的量子效應研究也會繼續(xù)是一個較活躍的研究課題[72]。

3 總結(jié)與展望

表面等離激元對光場強大增強和聚焦能力，使其在納米尺度上調(diào)控光與物質(zhì)相互作用方面具有獨特的優(yōu)勢。本文首先介紹了利用等離激元納米光腔實現(xiàn)光與物質(zhì)從弱到強耦合的作用機理，重點綜述了納米光腔與分子、量子點和二維材料的耦合原理及規(guī)律，以及光與物質(zhì)相互作用的研究現(xiàn)狀：包括等離激元納米光腔與物質(zhì)弱耦合引起的Purcell效應，可以加快發(fā)光物質(zhì)的輻射速率及量子產(chǎn)率，以及腔與物質(zhì)的強耦合產(chǎn)生的Rabi劈裂。其次，總結(jié)了等離激元納米光腔在表面增強拉曼和針尖增強拉曼光譜方面的一些創(chuàng)新性工作，以及在增強非線性光學如增強二次及高次諧波等方面的應用。最后，在亞納米光腔間隙中會出現(xiàn)量子等離激元效應，導致經(jīng)典電磁場理論不再適用，這將為量子尺度的光和物質(zhì)作用新物理和新應用提供研究體系，在實驗上實現(xiàn)亞納米尺度腔量子電動力學效應將是一個重要的研究課題。此外，手性等離激元納米結(jié)構(gòu)的提出[73-74],也為納米尺度上操控光與物質(zhì)相互作用帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)?？傊?，等離激元納米光腔作為調(diào)控光與物質(zhì)相互作用的有力手段，在量子光源、量子態(tài)操控、光子芯片，以及量子通信方面具有潛在的應用。