量子光学：プラズモニックナノ共振器における室温での単一分子強結合

光共振器中に置かれた光子源は、周囲の光場との結合状態が変化する環境に直面する。弱結合領域では、光子源からの光の抽出が増強される。しかし、単一の光子源に強い結合が生じると、より大きな効果が現れる。すなわち、半分が光で半分が物質の混合状態が生成され、量子情報システムや超低電力のスイッチやレーザーの構成要素となる。これまでこうした共振器量子電気力学は、低温と複雑な製作技術の領域にとどまっていて、使用しにくかった。今回我々は、共振器の体積を40 nm³未満に縮小し、ホスト–ゲスト化学を用いて、保護するように分離した1～10個のメチレンブルー分子を整列させることによって、周囲条件下において室温で強結合領域に達した。50個以上のそうしたプラズモニックナノ共振器から得られた分散曲線は、特徴的な光と物質の混合を示しており、10個のメチレンブルー分子ではラビ周波数が300 meVで、単一分子では90 meVまで低下し、定量的モデルと一致している。振動分光法の時系列と暗視野散乱スペクトルの統計分析によって、単一分子強結合を示す証拠が得られた。このように分子に光をまとわせることで、光化学的性質が変化し、光合成などの複雑な自然過程を調べられるようになるとともに、化学結合を操作する可能性が開かれる。

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