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聲子極化激元是極性材料中晶格振動與光場之間的強耦合，有望應用在低損耗納米光學元器件中。相關的理論研究由黃昆先生于上世紀五十年代提出，目前已經較為成熟。但是實驗測量表面聲子極化激元直到近年才有較大的進展，主要是因為表面聲子極化激元的測量同時需要高的空間分辨率和能量分辨率。目前測量表面聲子極化激元的主要方法為近場光學方法（s-SNOM），該方法可以在中紅外和太赫茲區間對聲子極化激元進行很好的探測。但在遠紅外區間，由于目前缺少合適的遠紅外激光光源和探測器，相關材料體系的表面聲子極化激元的研究受到很大限制。 近日，北京大學物理學院2016級本科生亓瑞時和王任飛利用掃描透射電子顯微鏡的電子能量損失譜，對ZnO納米結構中的遠紅外表面聲子極化激元進行了細致的探測。通過在納米尺度上測量納米線、納米片不同空間位置的電子能量損失，探究了表面聲子極化激元的性質，得到了表面聲子極化激元的色散關系，并研究了其尺寸效應、幾何效應等。圖1. 左：利用電子束激發和探測納米線表面聲子極化激元。右：測量得到的色散關系。 利用電子顯微鏡中的電子束來激發和探測聲子極化激元具有很多的優點，包括（1）電子顯微鏡方法具有亞埃的空間分辨率；（2）電子激發具有更高的效率（電子與材料相互作用的散射截面更大）；（3）電子能激發一些非光學活性的模式；（4）電子能量損失譜能得到高q（波矢）值下的信息；（5）電子能量損失譜具有很寬的激發、測量窗口，原則上可以測量從meV量級的振動譜信號至keV量級的芯電子激發譜信號。因此，電子能量損失譜有望極大地推動包括表面聲子極化激元在內的相關實驗研究。 該工作于2019年7月19日在線發表于學術期刊Nano Letters（DOI:10.1021/acs.nanolett.9b01350），第一作者為北京大學物理學院2016級本科生亓瑞時、王任飛，指導老師為量子材料科學中心和電子顯微鏡實驗室的高鵬研究員。該項研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、量子物質科學協同創新中心等基金的支持。 論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b01350

成果的背景及主要用途：導墻或隔水墻這種輕型薄壁結構受到脈動壓力的交 變作用，導致結構物疲勞破壞和強烈振動的危險性，是一個現實的問題，應引起 水工結構設計人員的充分重視，也是水利工程研究的一個重要課題。天津大學 1996 年至 2000 年先后開展了中國長江三峽工程開發總公司委托的“三峽水利樞 紐廠壩隔（導）墻泄洪振動的水彈性模型實驗研究”（編號：ZT-96（1）-7）和“三 峽工程廠壩隔（左導）墻的優化研究”（CT-98-22-5）的科研項目；2002 年至 2003 開展了中國水電顧問集團中南勘測設計研究院委托的“向家壩水電站消力池底板 和導(隔)墻結構水彈性模型試驗研究”項目；2004 開展了“三峽導墻振動的原型 觀測研究”。通過這些項目的研究工作，對導墻結構的流激振動和結構優化開展 了系統的實驗研究、理論分析和原型觀測，提出的創新性成果在工程中得到應用， 取得了顯著的社會和經濟效益。 技術原理與工藝流程簡介：對于導墻結構流激振動響應往往是其結構設計的 控制條件，其結構的安全和結構優化設計與流激振動響應關系密切。但由于泄洪 振動的復雜性，即激振源、脈動荷載時空相關和流固耦聯效應的復雜性，通過單 純的水力模擬和數值計算難以正確確定導墻流激振動的響應。而采用泄洪激振的 水彈性實驗模擬可以很好的解決這一問題。水彈性模型是對“結構——水體——地 基——動荷載”四位一體的流固振動系統的模擬，它可以同時滿足“動荷載”輸人系 統相似和結構系統動力響應相似，即滿足水力學條件和結構動力學條件相似。通 過水彈性模擬實驗研究導墻結構流激振動的一般規律，建立相應的理論計算模型， 開展原型觀測，提出導墻結構安全評價的指標以及安全監測、健康振動的理論分 析方法，并通過原型觀測來驗證。 技術水平及專利與獲獎情況：該項成果達到國際先進水平。 應用前景分析及效益預測：針對三峽工程導墻從水流條件和結構靜動力條件 兩個方面來進行三峽工程導墻泄洪振動及優化研究，研究成果已在工程建設中得 到應用、實施，節省投資約 4000 萬元，效益明顯。 開展了向家壩水電站消力池導(隔)墻結構水彈性模型研究，優化了兩個導(隔) 墻體型。該研究成果對向家壩導(隔)墻的泄洪振動響應及其整體穩定性提供了科 學的評價依據，為工程建設提供了一個強有力關鍵的技術支撐，相關成果已被設 計采用。 結合導墻結構原型觀測，應用提出導墻流激振動的反分析方法，可為導墻安 全運行監測和健康診斷提供了理論依據和技術平臺，這種理論方法和技術手段對 其他泄洪消能建筑物的安全監測和健康診斷、實時預警都有廣泛的應用前景。 該成果的理論方法也可推廣到溢洪道邊墻的流激振動和安全監測。 應用領域：水利水電工程設計和運行管理。 合作方式及條件：技術服務。

激光在芯片上光互連上的應用就直接要求激光器的特征尺度接近電子器件，并且其功耗要小于成熟的電互聯，應約在10飛焦每比特量級。激光器的功耗與其尺度呈正相關的關系，10飛焦每比特量級的功耗直接要求激光器的模式體積要小于約0.02個波長立方。

在應變的InAs/GaInSb量子阱中，量子阱中的應力使其能帶發生改變，從而使得體態雜化能隙得以增大，這直接導致了邊緣態電子費米速度的增加，因而螺旋邊緣態中的相互作用效應變弱。實驗上測量得到的邊緣態電導以及其對外加磁場的響應清楚地表明該系統中的量子自旋霍爾態是一種Z2拓撲絕緣體，其性質受到時間反演對稱性的保護。而且，InAs/GaInSb量子阱中螺旋邊緣態的相干長度最長可達10微米以上，遠大于之前所有有關量子自旋霍爾態研究工作中報道的數值。另外，螺旋邊緣態的相干長度還可以被柵極調節，這顯示了邊緣態電導與邊緣態電子費米速度，也即邊緣態相互作用強度密切相關。

本發明包括一種多枝樹形等離激元波導復合納米結構的合成及其光學操控方法，該合成方法包括多個步驟，每個步驟均可精確控制。樹形納米結構的主干和在其上生長的枝狀納米結構的粗細均可精確控制，在樹形納米結構表面疊加有殼或無殼的量子點形成量子點復合樹形納米結構，無殼量子點可用于化學催化、環境監測、生物傳感等應用。光從納米線一端入射，經納米線及枝狀結構，激勵有殼量子點發光，可用于遙感拉曼、新型激光器等應用。通過光學操控可改變入射光的強度和偏振態，控制特定區域的量子點發光，可消除散射中心之間干涉衍射效應產生的串擾效應，從而可用于亞波長的高分辨率探測。

課題主要通過優化設計及制備高品質金屬/介質納米復合結構，研究金屬納米結構及介質材料生長的新方法，并研究電子束激勵條件下，納米復合結構的等離激元共振模式及能量轉移物理機制，激勵電壓對等離激元共振模式的調控規律。

郭國平教授、李海歐教授等人與中科院物理所張建軍研究員、紐約州立大學布法羅分校胡學東教授以及本源量子計算有限公司合作，在硅基鍺空穴量子點中實現了自旋軌道耦合強度的高效調控，為該體系實現自旋軌道開關以及提升自旋量子比特的品質提供了重要的指導意義。

研究團隊發展了獨特的液態金屬旋涂工藝，制成了金屬鈉薄膜，首次揭示了金屬鈉膜的優異光波段等離激元特性。

在傳統貴金屬（金、銀等）之外發掘出具有高性能等離激元效應的非金屬新材料，是當前等離激元學基礎研究及應用研發的一個熱點與難點。金屬氧化物半導體材料具有豐富可調的光、電、熱、磁等性質，對其采取氫化處理可有效修飾其電子結構，從而獲得豐富可調的等離激元效應；此處的一個關鍵性挑戰在于如何顯著提高金屬氧化物半導體材料內稟的低自由載流子濃度。基于該研究團隊新近發展的、理論模擬計算指導下的電子-質子協同摻氫策略，在本工作中研究人員采用簡便易行的金屬-酸溶液原位聯合處理方法實現了金屬氧化物MoO3半導體材料在溫和條件下的可控加氫（即實現了“本征半導體→準金屬”的可控相變），從而突破性地大幅提升了該材料中的自由載流子濃度。研究表明，氫化后的MoO3材料中自由電子濃度與貴金屬相當（譬如H1.68MoO3：~1021cm-3；Au/Ag：~1022cm-3），這使得該材料的等離激元共振響應從近紅外區移至可見光區，且兼具強增益及可調性。結合第一性原理模擬計算和以超快光譜為主的多種物性表征，研究人員進一步揭示出該協同摻氫所導致的準金屬能帶結構及相應的等離激元動力學性質。作為效果驗證，研究人員在一系列表面增強拉曼光譜（SERS）實驗中證實該材料表面等離激元局域強場可使吸附的羅丹明6G染料分子的SERS增強因子高達1.1×107（相較于一般半導體的104?5和貴金屬的107?8），檢測靈敏限低至納摩量級（1×10-9mol L-1）。 這項工作創新性地發展出一種調控非金屬半導體材料系統中自由載流子濃度的一般性策略，不僅低成本地實現了具有強且可調的等離激元效應的準金屬相材料，而且顯著地拓寬了半導體材料物化性質的可變范圍，為新型金屬氧化物功能材料的設計提供了嶄新的思路和指導。

項目成果/簡介:在傳統貴金屬（金、銀等）之外發掘出具有高性能等離激元效應的非金屬新材料，是當前等離激元學基礎研究及應用研發的一個熱點與難點。金屬氧化物半導體材料具有豐富可調的光、電、熱、磁等性質，對其采取氫化處理可有效修飾其電子結構，從而獲得豐富可調的等離激元效應；此處的一個關鍵性挑戰在于如何顯著提高金屬氧化物半導體材料內稟的低自由載流子濃度。基于該研究團隊新近發展的、理論模擬計算指導下的電子-質子協同摻氫策略，在本工作中研究人員采用簡便易行的金屬-酸溶液原位聯合處理方法實現了金屬氧化物MoO3半導體材料在溫和條件下的可控加氫（即實現了“本征半導體→準金屬”的可控相變），從而突破性地大幅提升了該材料中的自由載流子濃度。研究表明，氫化后的MoO3材料中自由電子濃度與貴金屬相當（譬如H1.68MoO3：~1021cm-3；Au/Ag：~1022cm-3），這使得該材料的等離激元共振響應從近紅外區移至可見光區，且兼具強增益及可調性。結合第一性原理模擬計算和以超快光譜為主的多種物性表征，研究人員進一步揭示出該協同摻氫所導致的準金屬能帶結構及相應的等離激元動力學性質。作為效果驗證，研究人員在一系列表面增強拉曼光譜（SERS）實驗中證實該材料表面等離激元局域強場可使吸附的羅丹明6G染料分子的SERS增強因子高達1.1×107（相較于一般半導體的104?5和貴金屬的107?8），檢測靈敏限低至納摩量級（1×10-9mol L-1）。 這項工作創新性地發展出一種調控非金屬半導體材料系統中自由載流子濃度的一般性策略，不僅低成本地實現了具有強且可調的等離激元效應的準金屬相材料，而且顯著地拓寬了半導體材料物化性質的可變范圍，為新型金屬氧化物功能材料的設計提供了嶄新的思路和指導。