表面等离激元纳米结构中的量子隧穿效应 表面等离激元纳米结构中的量子隧穿效应，是指当两个金属纳米结构间隙缩小至亚纳米尺度（通常 <1 nm）时，电子会以量子隧穿方式穿越间隙势垒，导致等离激元模式发生非经典耦合的现象。其核心在于突破经典电磁理论中“间隙趋近零时场增强无限大”的预言，揭示量子效应如何显著改变等离激元的共振行为和近场分布。 经典等离激元耦合机制 在经典电磁理论框架下，两个金属纳米颗粒靠近时，其等离激元模式会通过电磁场相互作用形成杂化模式。当间隙尺寸大于约2 nm时，间隙内的电场增强遵循经典公式 \( E \propto 1/d^{n} \)（\(d\)为间隙宽度，\(n\)为几何依赖指数），场强随间隙减小而单调递增。此阶段，间隙介质仅需考虑其介电常数，电子被限制在金属内部。 量子隧穿引入的临界尺度 当间隙缩小至1 nm以下时，费米能级附近的电子波函数会显著重叠，形成量子隧穿通道。此时需引入 量子修正模型 ： 量子限制效应 ：金属内电子能级离散化，改变等离激元共振能量。 隧穿电导 ：间隙等效为隧穿结，其电导 \(G_ t\) 服从朗道公式 \(G_ t \propto e^{-2\kappa d}\)，其中 \(\kappa\) 为势垒衰减系数，与间隙介质电子亲和能相关。 此阶段，间隙电场增强出现饱和甚至衰减，违背经典预测。 量子流体动力学模型（QHD）的应用 为统一描述电磁响应与电子隧穿，需采用量子修正的麦克斯韦方程： \[ \nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t}, \quad \mathbf{J} = \sigma \mathbf{E} + \mathbf{J} {\text{tunnel}} \] 其中 \(\mathbf{J} {\text{tunnel}}\) 为隧穿电流密度，通过 Bardeen转移哈密顿量 或 非平衡格林函数 计算。该模型可再现实验观测到的等离激元蓝移与模式展宽。 实验观测与调控手段 电子能量损失谱（EELS） ：直接探测隧穿导致的等离激元谱线劈裂。 扫描隧道显微镜-等离激元联用（STM-PL） ：通过偏压调控隧穿速率，实时修改等离激元发光强度。 间隙介质工程 ：插入单层MoS₂等二维材料，利用其电子态调制隧穿概率。 应用与前沿挑战 分子传感极限突破 ：量子隧穿使亚纳米尺度化学键振动可直接耦合等离激元模式。 光电子器件微型化 ：基于隧穿的单光子发射源设计。 理论瓶颈 ：多体相互作用（如电子-电子关联、电子-声子散射）在极端受限体系中的精确描述仍需发展含时密度泛函理论（TDDFT）或量子蒙特卡罗方法。 此效应标志着等离激元学研究从经典电磁场到量子物质相互作用的前沿跨越，为纳米光学与量子器件的融合提供新范式。