光物理学：プラズモニックナノ粒子結晶における光と物質の深強結合

光と物質の深強結合領域では、結合強度が物質の遷移エネルギーを上回り、物質の性質が根本的に変化する。例えば、この系の基底状態には仮想光子が含まれ、光子の自己相互作用によって内部電磁場が再分布される。これまで、物質の電子励起では自由空間光子に対するそうした強い結合は示されていなかった。今回我々は、プラズモニックナノ粒子の三次元結晶は、粒子間ギャップより10倍大きい粒子であれば、周囲条件下で深強結合を実現できることを示す。直径が25〜60 nmの金ナノ粒子の面心立方結晶で実験により得られたラビ周波数（1.9〜3.3 eV）は、そのプラズモンエネルギーを最大で180％上回っていた。我々は、光子の連続体とプラズモンが混成してポラリトンを形成し、これが回転波近似を破ることを示す。こうした深強結合によってパーセル効果（光–物質結合による放射減衰の増大）は破綻し、放射ポラリトン寿命が長くなる。今回の結果は、光–物質相互作用が極端な全てのクラスの物質の構成要素として金属や半導体のナノ粒子を使用できることを示しており、これは非線形光学、協同効果や基底状態の探究、ポラリトン化学、量子技術に応用できる。

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