Sterke koppeling tussen een quasi-enkelvoudig molecuul en een plasmonische holte in het vangsysteem

Resultaten en discussie

Overvangstructuur

Plasmonische nanostructuur met een reeks subgolflengtegaten vertoont een buitengewoon optisch transmissie-effect dat het lokale elektrische veld nabij de nanogaten aanzienlijk zal verbeteren [32-34]. We gebruiken dit effect op moleculaire bewegingen. Wanneer een plasmonresonantieveld blauw wordt ontstemd van de moleculaire resonantie, kan een gigantische afstotende kracht van het molecuul worden geproduceerd en zal een vangminimum worden gecreëerd dat ongeveer honderden nanometers verwijderd is van het structuuroppervlak. We ontwerpen een periodieke plasmonische nanostructuur om onze aanpak te demonstreren, zoals weergegeven in figuur 1.

Schematisch diagram van de periodieke plasmonische nanostructuur

In deze paragraaf bespreken we alleen de simulatieresultaten zonder molecuul. We gebruiken een circulair polarisatielicht om de structuur normaal te verlichten vanaf de Z richting op oneindig, en het transmissiespectrum wordt weergegeven in Fig. 2.

Het transmissiespectrum van de structuur zonder molecuul

Een resonantiepiek wordt waargenomen bij 707 nm (1.756 eV), die voortkomt uit de interactie tussen eenheden (de gaten). Deze piek ligt dicht bij de golflengte van (1, 1) orde van houtafwijking [35]. Een array van subgolflengtegaten heeft Bragg-verstrooiing naar de SPP's, waardoor een reciproke roostervector van de array ontstaat die gemakkelijk kan voldoen aan de fase-aanpassingsvoorwaarde [20]. Invallend licht kan dus de SPP's exciteren, en deze manier om SPP's te exciteren is veel gemakkelijker dan het gebruik van de Kretschmann-structuur en wordt niet beïnvloed door de dikte van het metaal. Om de ruimtelijke verdeling van het elektromagnetische veld van het systeem te onderzoeken, plotten we een figuur van |E | ² distributie van de X -Z vliegtuig om Y =0 bij de resonantiegolflengte van 707 nm, weergegeven in figuur 3a.

een Elektromagnetische veldintensiteit |E | ² distributie in de X -Z vliegtuig om Y =0 bij λ =696 nm. b Genormaliseerde intensiteitsverdelingen van |E | ² versus Z met X =0 en Y =0 in de X -Z vliegtuig

In figuur 3a zijn er drie minima van |E | ² opgemerkt door de witte punten P, M en N; het verschijnen van deze drie minima kan worden toegeschreven aan de hotspots die ontstaan, die het gevolg zijn van de verstrooiing van licht in het nabije veld door een reeks plasmonische nanogaten. Eigenlijk is de verdeling van het elektromagnetische veld de superpositie van het oppervlakteplasmonveld en het ruimtelijke elektromagnetische veld door de nanogaten. De kromme van |E | ² versus Z bij X =0 en Y =0 in de X -Z vlak is ook uitgezet in figuur 3b. Volgens het simulatieresultaat van de ruimtelijke elektromagnetische distributie, zullen er drie intensiteitsminima zijn, wat de blauw-afgestemde optische val impliceert.

Een molecuul kan worden gevangen in minima van de elektromagnetische veldintensiteit via optische dipoolkrachten met blauw ontstemd licht. In onze simulatie wordt het molecuul behandeld als een systeem met twee niveaus en kan het worden gesimuleerd als een dipool in FDTD-simulatie [28-30]. Het vangstpotentieel U _opt. voor een molecuul is een afstotende optische dipoolpotentiaal geassocieerd met elektromagnetisch veld E , die wordt gegeven door [1, 4]:

Hier, α is verminderde polariseerbaarheid, in ons geval α =−7.87×10 ⁻³⁸ F ·m ² [20]. Daarom kunnen we op basis van de intensiteitsverdelingen van het elektromagnetische veld de vangpotentialen verkrijgen. Vergelijking gebruiken (1) en |E | ² distributies in Fig. 3a, hebben we het vangpotentieel berekend langs de lijn met zowel X =0 en Y =0 zoals weergegeven in Afb. 4.

Potentieel vangen in X -Z vliegtuig om Y =0. De ingevoegde afbeelding is de schaalvergroting van het laagste vangpotentieel

In Fig. 4 weten we dat de positie met de laagste intensiteit zich in punt P bevindt. Hier wordt het invallende vermogen ingesteld als P _ik =120 mW, en het vangpotentiaal is 0,53 mK. Chen et al. heeft gemeld dat ⁸⁷ R b kan stabiel worden opgevangen met het vangpotentiaal van 2,02 mK [20]. Door deze parameters te vergelijken, zou ons blauw-ontstemde vangsysteem een ​​rhodaminemolecuul met een molecuulgewicht van ongeveer 400 kunnen vangen. In het licht van de bovenstaande analyse kiezen we de vangpositie op het punt (0, 0, 675 nm) en het schematische diagram van een molecuul gevangen in de structuur wordt getoond in Fig. 5.

Schematisch diagram van een molecuul gevangen in de structuur

Sterke koppeling tussen structuur en een molecuul

Moleculen worden in elke eenheid van onze structuur geplaatst om de interactie tussen licht en molecuul bij een sterk koppelingsregime te bestuderen. Het molecuul kan worden behandeld als een dipool in FDTD-simulaties. We voegen een dipool toe op het potentiële minimumpunt P, dat 275 nm verwijderd is van het oppervlak, zoals weergegeven in figuur 3a. De polarisatie van de dipool zou langs de X . kunnen zijn -as, de Y -as, of de Z -as. De resonantiegolflengte van het molecuul is 707 nm (1,756 eV). Eerst beschouwen we de polarisatie van de dipool langs de Z -as. Het transmissiespectrum wordt ook verkregen en het resultaat is in Fig. 6.

Transmissiespectra met en zonder een molecuul zijn gevangen op punt P

Ter vergelijking:het transmissiespectrum van de structuur zonder een molecuul in elke eenheid is ook uitgezet in figuur 6. In lijn met figuur 6 kunnen we twee splitsingspieken waarnemen in het transmissiespectrum van de structuur met een molecuul, dat de Rabi splitsende lijnvorm en presenteert het sterke koppelingsfenomeen. Invallend licht injecteert niet alleen op het oppervlak van onze structuur, maar maakt het molecuul ook opgewonden. SPP's die worden geëxciteerd door invallend licht, koppelen met degenen die worden geëxciteerd door het molecuul rond de werkende golflengte. Deze twee soorten SPP's koppelen met elkaar en maken twee splitsingspieken in het transmissiespectrum. De lijnvorm van de transmissiecurve toont het sterke koppelingsfenomeen. In het algemeen zijn de frequenties van deze twee splitsingspieken ω _± worden aangeduid als [36, 37]:

waar ω ₀ is de energie onder de voorwaarde dat het geïsoleerde molecuul en de holte verondersteld worden in resonantie te zijn, γ _c =4.08×10 ¹³ Hz [38] en γ _m =1.1×10 ¹⁴ Hz zijn de vervalsnelheden van respectievelijk de plasmonische holte en het molecuul, en g is de koppelingsconstante. Sterke koppeling treedt op voor g>0.5|γ _c −γ _m | en komt overeen met de vorming van een geklede staat met een eindige levensduur. Voor onze voorgestelde structuur is de koppelingsconstante g is 144 meV, terwijl 0,5|γ _c −γ _m | bedraagt ​​143 meV. In eerdere werken werd Rabi-splitsing aangeduid als Ω =|ω ₊ −ω ₋ | bevindt zich in het regime van 100 tot 450 meV in de structuren op basis van het J aggregaat-metaal of de molecuul-metaal hybride nanostructuren [39, 40]. De Rabi-splitsing is gerelateerd aan de koppelsterkte g , die afhangt van\(\sqrt {N/V}\), waarbij N is het aantal moleculen en V is het modusvolume, respectievelijk [37]. In ons werk is er slechts één molecuul in elke eenheid van de voorgestelde structuur en het modusvolume V is zo groot dat de Rabi-splitsing Ω ongeveer 16 meV is, is deze splitsing vergelijkbaar met sterke koppeling in metaal-halfgeleider hybride nanostructuren [41] en metaal-2D materiaalsysteem [42]. We hebben ook de sterke koppeling van de structuur met de polarisatie van het molecuul langs de X . bestudeerd -as en de Y -as, respectievelijk. De simulatieresultaten worden weergegeven in Afb. 7.

Transmissiespectra met een molecuul gepolariseerd langs respectievelijk de X-, Y- en Z-richtingen

In Fig. 7 verschijnen twee splitsingspieken (710 nm, 1,747 eV; 717 nm, 1,717 eV) alleen in de structuur met de polarisatie van het molecuul langs de Z -as. Het molecuul polariseerde langs de X -as of de Y -as vertoont een sterk collectief gedrag vóór de koppeling met Au nanocavity of Au nanohole-array. Het collectieve gedrag S _k van het molecuul gepolariseerd langs de X -as of de Y -as kan worden berekend met de gekoppelde-dipoolmethode [43]:

waar k ₀ is de golfvector in het vacuüm, θ is de hoek tussen twee dipolen, en r =n L , n =1, 2, 3... Hier, met de voorwaarde \( \lambda =\frac {L}{\sqrt {i^{2}+j^{2}}}\) (i , j =0, 1, 2,..., maar beide i en j zijn tegelijkertijd niet gelijk aan 0), is het collectieve gedrag vrij groot, wat een singulariteit in Vgl. (3) [35, 43]. Het vertoont een resonante dip in het transmissiespectrum. Voor het molecuul gepolariseerd langs de X -as of de Y -as is het collectieve gedrag te groot om de koppeling tussen het molecuul en de plasmonholte te verzwakken. We zien alleen de volgorde van houtafwijking [35] met de volgorde (1, 1) in het transmissiespectrum rond de golflengte 707 nm (1.756 eV), de sterke koppeling kon niet verschijnen. Vandaar dat alleen het molecuul gepolariseerd is langs de Z -as in onze voorgestelde structuur kan het fenomeen van sterke koppeling genereren. Als de resonantiegolflengte van het molecuul wordt gewijzigd, kan de sterke koppeling in het blauw ontstemde vangsysteem ook worden verkregen door de onderstaande stappen. Ten eerste, volgens de resonantie van het molecuul, kan de roosterconstante van de nanohole-array worden vastgesteld. Ten tweede kan de werkgolflengte van het blauw-ontstemde vangsysteem ook worden bepaald, wat afhangt van de roosterconstante van de metalen nanogatarray. Ten derde wordt de elektromagnetische veldverdeling verkregen om de vangpositie te vinden. Ten slotte plaatsen we het molecuul op de beste vangpositie om het transmissiespectrum te berekenen en de transmissie met de sterke koppelingslijnvorm kan worden verkregen.