近日，我系/应用表面物理国家重点实验室周磊课题组与上海大学通信学院肖诗逸课题组合作，从“第一性原理”出发建立起描述耦合光子共振体系的理论方法，并结合数值与实验验证了理论对于体系的响应预测与谱线设计，为人们理解并调控多共振体间的耦合行为提供了扎实的数理基础。9月8日，相关成果以《基于第一性原理的复杂耦合等离子体系谱线设计》（“Tailoring the lineshapes of coupled plasmonic systems based on a theory derived from first principles”）为题在线发表于《光:科学与应用》[Light-Sci. Appl. 9:158(2020)]。

自由调控电磁波在基础理论和实际应用(信息、能源、生物）两方面均有重大意义。近年来，复杂光学耦合系统引起了广泛的关注。这是因为相对于单模式体系，由多个光子共振体组成的耦合体系有着更大的调控自由度和更令人着迷的现象。然而，尽管人们在实验方面取得了长足的进步，对于耦合问题的理论理解仍远未令人满意。现有的理论工具要么无法揭示物理本质（如数值模拟），要么本质上是经验性的（如耦合模理论），需要从已有的数值结果中拟合以获取参数。由此可见，如何建立研究光学开放体系的统一理论，并由此实现对光响应场的合理调控与设计是一个关键的科学问题。

周磊课题组对于光子共振体系相关理论研究方面有着长期的积累。常用的一些理论工具中，色散光子体系的紧束缚耦合理论可用来研究近封闭体系下光子共振体间的耦合问题，课题组将该方法拓展至开放体系中，从第一性原理（即麦克斯韦方程组）出发，建立并发展了一套完整的描述耦合体系的理论方法，其中所有相关参数都可基于波函数直接计算所得，从而可以在做数值模拟之前预测复杂耦合光子系统的响应。进一步地，在该理论指导下，课题组构建相图，实现了对耦合光子系统的响应谱线的自由“设计”，包括对于完全“暗”模式的构建。所有理论预测均被近红外实验证实。该研究成果能作为全新的理论工具来指导设计满足特定需求的光学响应系统，并且可以扩展到研究其他类型的波的耦合系统。该理论在纳米激光和荧光增强等领域可以起到重要作用。

我系博士生林婧、邱孟与张惜月为论文共同第一作者，我系周磊教授、何琼副教授与上海大学通讯学院肖诗逸教授为论文共同通讯作者。论文的合作者还包括我系博士生郭会杰与蔡青男同学。研究工作得到了自然科学基金委、科技部重大研究计划和重点研发专项计划、上海市科委和复旦大学等经费的支持。

图1：理论计算复杂结构间的耦合强度从而预测与设计体系对于外场激励的谱线响应

图2：通过控制复杂光子体系的耦合强度实现对谱线线形的自由调控与完全“暗”模式的构建