分子鏈體系的單光子超輻射研究取得進展

最近，中國科學技術大學侯建國院士領銜的單分子科學團隊的董振超、張楊研究小組，利用掃描隧道顯微鏡（STM）誘導單分子電致發光技術，首次清晰地展示了等離激元納腔中人工構築酞青染料分子鏈結構的單光子超輻射現象，並且研究了納腔等離激元對於分子鏈超輻射行為的影響。國際權威物理學術期刊《物理評論快報》於6月12日在線發表了這項成果。

在分子系統中，多個發光體可以通過相干偶極相互作用形成離域的集體態，它們在分子間能量轉移、光合作用以及量子體系設計等方面具有重要的作用。單光子超輻射態是其中一種特別有趣的具有量子相干特性的離域集體態，其特徵是所有發光單體的同相耦合，其量子本質是所有可能直積態（某個發光單體處於激發態而所有其它發光體處於基態）的量子疊加。但是，由於分子間的相干偶極相互作用會受到分子數目、分子間距、偶極取向等諸多因素的影響，因此，精確調控分子體系並定量研究相關的單光子超輻射態非常困難。

中國科大單分子科學團隊長期致力於發展將STM高分辨空間表徵和光學技術高靈敏譜學探測相結合的聯用系統，特別是通過巧妙調控隧道結納腔等離激元的寬頻、局域與增強特性，極大地豐富了測量和調控手段，拓展了測量極限，為在單分子尺度上觀察和調控分子的光電行為提供了新的機會。在這個工作中，他們將STM的單分子操縱能力、絕緣氯化鈉薄層的脫耦合作用、以及納腔等離激元的局域增強效應結合起來，構築了包含2到12個酞青染料分子的有序分子鏈結構，並且研究了通過局域隧穿電子激發的這些分子鏈體系的發光特性及其隨鏈長的演化。利用亞納米空間分辨的電致熒光成像技術，他們發現發光強度最大並且能量最低的發光峰模式對應於所有的分子偶極以共線同相的方式耦合在一起，即該發光模式對應於超輻射模式。進一步的分子鏈光子發射統計特性的測量表明分子鏈的發光具有單光子發射特性，即整個分子鏈處於單激子態，必須被當做是單一的量子體系來看待。這表明，當分子鏈體系中的一個分子被局域電子激發後，激發能會迅速地離域到整個分子鏈，形成單激子超輻射態，進而產生單光子超輻射現象。此外，他們還發現納腔等離激元會影響單光子超輻射峰的展寬和強度及其隨鏈長的演化行為，但是並不會影響通過分子間偶極耦合建立的超輻射態的內在相干特性。這些結果不僅提供了對分子體系集體模式以及它們與局域納腔等離激元相互作用的新理解，而且也為研究分子間相互作用以及多體相互作用提供了新途徑。

駱陽博士和陳功博士為這篇文章的共同第一作者。該系列研究工作得到了科技部、基金委、中科院、教育部、安徽省等單位的支持。

圖註：(a) STM測量分子鏈發光的的示意圖 ；(b) 分子鏈體系的STM形貌圖；(c) 單光子超輻射模式的實空間電致熒光成像；(d) 不同長度的分子鏈光子發射的二階相關函數測量結果。

來源：中國科學技術大學

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