基于金属纳米结构（等离激元）相干能量传递研究

Recently, the incoherent energy transfer based on metallic nanostructures has been studied in detail, scientists have found the emergence of plasmon polaritons can help to speed up the rate or to promote the efficiency of the energy transfer. Many results have indicated that in some systems, the coherence of systems can play an important role during the energy transfer, e.g., the photosynthetic systems. So much attention has been paid to the coherent energy transfer. While no research about the coherent energy transfer based on metallic nanostructures has been reported. In our proposal, we plan to study the coherent energy transfer between pairs of dipoles (donor and acceptor) involving metallic nanostructures systematically. We firstly develop a new theory covering the coherent energy transfer between pairs of dipoles, and study the connection between the energy flowing in the dipoles and the quantum coherence possessed by the dipoles; then we will design a new scheme for diploes to realize long-time steady quantum correlation and quantum gates; finally, the high efficiency coherent energy transfer is discussed when the donor and acceptor stays far apart. Based on our study, we will extend our understanding in the energy transfer among dipoles influenced by metallic nanostructures, and propose a new way to realize the high efficiency device for energy transfer.

近些年来，基于金属纳米结构的非相干能量转移有了很多研究，人们发现等离激元可以有效的提升非相干能量转移的速率或效率。而有研究表明在某些系统的能量转移过程中，体系的相干特性会对能量转移起到很重要的作用，例如光合作用系统。因此相干能量转移受到人们所关注。但是基于金属纳米结构的相干能量转移到现在还没有被研究。本申请拟将系统研究基于金属纳米结构的电偶极子施主和受主之间的相干能量转移。我们首先将发展出一套适用于描述在电偶极子间相干能量转移的理论，研究在电偶极子之间能量传递与体系量子相干的联系；然后设计实现电偶极子间长时间稳定的量子关联和量子门；最后讨论如何实现长程高效的相干能量传递。通过我们的研究，将拓展对于受到金属纳米结构影响的电偶极子之间能量传递的理解，并为设计高效能量转移器件提供新的途径。

近些年来，人们对基于金属纳米结构的非相干能量转移进行了大量的研究。研究结果表明，等离激元的存在可以有效提升非相干的能量转移速率和效率。而在光合作用系统的研究表明，当考虑了系统之间的量子相干后，可以极大的提升系统之间的能量转移速率和效率。基于上述内容，在本项目中，我们考虑了量子相干对于金属纳米结构中能量转移的影响，并且探索在金属纳米结构中实现长时间的量子加速。我们利用主方程和散射T矩阵的方法，发展出适用于考虑量子相干后的能量转移速率和效率表达式。我们的研究结果表明，量子相干的存在，确实能够提升能量的转移速率和效率。进一步，我们比较了在金属纳米结构中，系统量子相干的存在时间与量子加速时间。我们发现具有较长量子相干时间的系统，未必会有较长的量子加速时间。我们数值模拟的结果展示要达到长时间的量子加速，要求由金属纳米结构诱导的多个分子间的耦合强度趋于一致。而这样的现象可以从量子随机行走模型来解释。在我们设计的系统中，我们可以得到长度约为几百纳米的金属纳米结构中，实现接近皮秒时间量级的量子加速。这一加速时间已经与现在的波导相差不多了。而由于金属纳米结构有着易于设计，能够拓展到三维等优势，将为下一步研究基于金属纳米结构的量子信息问题提供参考。此外，我们也深入挖掘了基于量子随机行走的拓扑现象，这将为我们实现基于金属纳米结构的高效快速能量转移提供新的研究方向。