表面等离激元耦合间隙内的量子耗散动力学以及量子输运特性的基础研究

Quantum optics and metallic nanostructure interactions is the core issue of the quantum plasmonics, research that fundamental quantum mechanism and accurate physical modeling is most pressing issue in quantum devices. In this project, we will reveal the plasmons coupling of composite nanostructures using high resolution electron energy-loss spectroscopy(EELS), performed in a spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope(Cs－TEM／STEM). Moreover, this project will modification of TEM equipment for carry out in-situ observation experiment of laser illumination, the electron-plasmon coupling affect the quantum transport will be also revealed. These experimental results are the keys to the unsolved mechanism of quantum plasmonics. Finally, based on the experimental results and theoretical analysis, this project will revise or provide new physical model of quantum plasmonics. The present project has significant scientific importance for reveal the mechanism of quantum plasmonics, it is also expected to provide theoretical basis for application in design advanced quantum devices.

光的量子性质与金属纳米结构的相互作用作为量子等离激元的核心问题，其机制的探明和准确物理模型的建立是量子器件发展中最紧迫的问题。本项目拟利用球差校正透射型电子显微镜对复合纳米结构的表面等离激元耦合进行高分辨电子损失能谱分析，揭示表面等离激元耦合区域内的量子耗散动力学。其次，利用改良过的透射电镜进行激光辐照的原位观察实验，揭示电子－光激发表面等离激元耦合对电子的量子输运特性影响。通过对以上实验所获得的实验数据将成为探索量子等离激元物理机制的重要钥匙。最后，以实验结果和理论分析为基础，修正或提出新的物理模型。通过本项目的实施，可以深入了解量子等离激元的机制，为新型量子器件的设计提供理论基础。

本项目是以探索表面等离激元的耦合机制为主要研究内容，重点是以高空间分辨率和高能量分辨率的表面等离激元共振耦合特性表征为基础，进一步探索表面等离激元耦合的可调控性的新技术和新方法，为新型量子器件的设计开发提供理论和实验基础。. 首先，我们对金纳米颗粒/SiN/金纳米颗粒构成的复合微纳结构的表面等离激元耦合区域进行高空间分辨率和高能量分辨率的STEM-EELS扫描表征实验。表征了金纳米颗粒/SiN/金纳米颗粒构成的复合微纳结构在不同表面等离激元共振耦合模式下的色散分布情况，并以此发现了可能存在的量子隧穿情况。.基于上述研究，通过对金属铝光栅结构的周期和转角等参数进行优化，设计了紫外波段响应的双曲型色散超构材料，并通过周期以及转角等方法控制光学魔角，由此可以调控色散分布在双曲型与椭圆形之间的拓扑变换。. 另一方面，通过理论计算获得了无衍射电子束、含有相位奇点的涡旋电子束所需的相位分布。然后，设计并实验制备出了电子全息片，最终利用电子全息方法在透射电子显微镜内实验获得了相应的无衍射电子束、含有相位奇点的涡旋电子束等波前结构化电子束。这些波前结构化电子束可以作为新型的先进电子探针，用以改进现有的电子显微成像系统以及STEM-EELS表征系统。. 综上所述，本项目基本完成了研究任务和目标。受该项目资助，项目组已经获得4项国家专利，联合发表SCI论文2篇；培养博士研究生3名以及硕士研究生1名。本项目的执行使我们对量子等离激元机制的理解更加深入，并且为新型量子器件的设计打下了良好的基础。.

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