Coupling Kuat antara Molekul Kuasi-tunggal dan Rongga Plasmonic dalam Sistem Perangkap

Hasil dan Diskusi

Struktur Perangkap

Struktur nano plasmonik dengan susunan lubang sub-panjang gelombang menunjukkan efek transmisi optik yang luar biasa yang akan sangat meningkatkan medan listrik lokal di dekat lubang nano [32-34]. Kami menggunakan efek ini pada gerakan molekul. Ketika medan resonansi plasmon di-detuned biru dari resonansi molekuler, gaya tolak raksasa dari molekul dapat dihasilkan dan minimum perangkap sekitar ratusan nanometer dari permukaan struktur akan tercipta. Kami merancang struktur nano plasmonik periodik untuk mendemonstrasikan pendekatan kami, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1.

Diagram skema struktur nano plasmonik periodik

Pada bagian ini, kita hanya membahas hasil simulasi tanpa molekul. Kami menggunakan lampu polarisasi melingkar untuk menerangi struktur secara normal dari Z arah tak terhingga, dan spektrum transmisi ditampilkan pada Gambar. 2.

Spektrum transmisi struktur tanpa molekul

Puncak resonansi diamati pada 707 nm (1.756 eV), yang berasal dari interaksi antar unit (lubang). Puncak ini mendekati panjang gelombang (1, 1) orde anomali Kayu [35]. Sebuah array lubang subwavelength memiliki hamburan Bragg ke SPPs, membawa vektor kisi resiprokal dari array yang dapat dengan mudah memenuhi kondisi fase-pencocokan [20]. Dengan demikian, cahaya datang dapat mengeksitasi SPP, dan cara mengeksitasi SPP ini jauh lebih mudah daripada menggunakan struktur Kretschmann dan tidak dipengaruhi oleh ketebalan logam. Untuk tujuan menyelidiki distribusi medan elektromagnetik spasial sistem, kami memplot gambar |E | ² distribusi X -Z pesawat di Y =0 pada panjang gelombang resonansi 707 nm, yang ditunjukkan pada Gambar. 3a.

a Intensitas medan elektromagnetik |E | ² distribusi di X -Z pesawat di Y =0 di λ =696nm. b Distribusi intensitas yang dinormalisasi dari |E | ² versus Z dengan X =0 dan Y =0 di X -Z pesawat

Pada Gambar. 3a, ada tiga minima |E | ² dicatat oleh titik putih P, M, dan N; munculnya tiga minima ini dapat dikaitkan dengan munculnya titik panas, yang dihasilkan dari hamburan cahaya medan dekat oleh serangkaian lubang nano plasmonik. Sebenarnya, distribusi medan elektromagnetik adalah superposisi medan plasmon permukaan dan medan elektromagnetik spasial melalui lubang nano. Kurva |E | ² versus Z di X =0 dan Y =0 di X -Z pesawat juga diplot pada Gambar. 3b. Menurut hasil simulasi distribusi elektromagnetik spasial, akan ada tiga intensitas minimum, yang menyiratkan perangkap optik detuned biru.

Sebuah molekul dapat terperangkap dalam intensitas medan elektromagnetik minima melalui gaya dipol optik dengan cahaya detuned biru. Dalam simulasi kami, molekul diperlakukan sebagai sistem dua tingkat dan dapat disimulasikan sebagai dipol dalam simulasi FDTD [28-30]. Potensi menjebak U _memilih untuk sebuah molekul adalah potensial dipol optik tolak-menolak yang terkait dengan medan elektromagnetik E , yang diberikan oleh [1, 4]:

Di sini, α polarisasi berkurang, dalam kasus kami α =−7.87×10 ⁻³⁸ B ·m ² [20]. Oleh karena itu, berdasarkan distribusi intensitas medan elektromagnetik, kita dapat memperoleh potensi perangkap. Menggunakan Persamaan. (1) dan |E | ² distribusi pada Gambar. 3a, kami menghitung potensi perangkap di sepanjang garis dengan kedua X =0 dan Y =0 seperti yang ditampilkan pada Gambar. 4.

Menjebak potensi di X -Z pesawat di Y =0. Gambar sisipan adalah peningkatan potensi jebakan terendah

Pada Gambar 4, kita mengetahui bahwa posisi intensitas terendah adalah pada titik P. Di sini, daya datang ditetapkan sebagai P _i =120 mW, dan potensi jebakan adalah 0,53 mK. Chen dkk. telah melaporkan bahwa ⁸⁷ R b dapat terperangkap secara stabil dengan potensial trapping sebesar 2,02 mK [20]. Membandingkan parameter ini, sistem perangkap detuned biru kami dapat menjebak molekul rhodamin dengan berat molekul sekitar 400. Berdasarkan analisis di atas, kami memilih posisi perangkap pada titik (0, 0, 675 nm), dan skema diagram molekul yang terperangkap dalam struktur ditunjukkan pada Gambar. 5.

Diagram skema molekul yang terperangkap dalam struktur

Kopling Kuat Antara Struktur dan Molekul

Molekul ditempatkan ke dalam setiap unit struktur kami untuk mempelajari interaksi molekul cahaya pada rezim kopling yang kuat. Molekul dapat diperlakukan sebagai dipol dalam simulasi FDTD. Kami menambahkan dipol pada titik minimum potensial P, yang berjarak 275 nm dari permukaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Polarisasi dipol bisa berada di sepanjang X -sumbu, Y -sumbu, atau Z -sumbu. Panjang gelombang resonansi molekul adalah 707 nm (1.756 eV). Pertama, kita pertimbangkan polarisasi dipol sepanjang Z -sumbu. Spektrum transmisi juga diperoleh dan hasilnya ada pada Gambar 6.

Spektrum transmisi dengan dan tanpa molekul terperangkap di titik P

Sebagai perbandingan, spektrum transmisi struktur tanpa molekul di setiap unit juga diplot pada Gambar 6. Sejalan dengan Gambar 6, kita dapat mengamati dua puncak pemisahan dalam spektrum transmisi struktur dengan molekul, yang menunjukkan Rabi membelah bentuk garis dan menghadirkan fenomena kopling yang kuat. Cahaya datang tidak hanya menyuntikkan ke permukaan struktur kita tetapi juga membuat molekul tereksitasi. SPP yang tereksitasi oleh pasangan cahaya yang datang dengan yang tereksitasi oleh molekul di sekitar panjang gelombang kerja. Kedua jenis SPP ini berpasangan satu sama lain dan membuat dua puncak yang membelah dalam spektrum transmisi. Bentuk garis kurva transmisi menunjukkan fenomena kopling kuat. Secara umum, frekuensi dari dua puncak yang membelah ini ω _± dilambangkan sebagai [36, 37]:

dimana ω ₀ adalah energi di bawah kondisi molekul terisolasi dan rongga diasumsikan dalam resonansi, γ _c =4,08×10 ¹³ Hz [38] dan γ _m =1.1×10 ¹⁴ Hz masing-masing adalah laju peluruhan rongga plasmonik dan molekul, dan g adalah konstanta kopling. Kopling kuat terjadi untuk g>0,5|γ _c γ _m | dan sesuai dengan pembentukan keadaan berpakaian dengan masa hidup yang terbatas. Untuk struktur yang kami usulkan, konstanta kopling g adalah 144 meV, sedangkan 0,5|γ _c γ _m | adalah 143 meV. Dalam karya-karya sebelumnya, pemisahan Rabi dilambangkan sebagai Ω ==ω ₊ ω ₋ | berada dalam rezim 100-450 meV dalam struktur berdasarkan J agregat-logam atau struktur nano molekul-logam hibrida [39, 40]. Pemisahan Rabi terkait dengan kekuatan kopling g , yang bergantung pada\(\sqrt {N/V}\), di mana N adalah jumlah molekul dan V adalah volume mode, masing-masing [37]. Dalam pekerjaan kami, hanya ada satu molekul di setiap unit struktur yang diusulkan dan volume mode V begitu besar sehingga Rabi membelah Ω adalah sekitar 16 meV, pemisahan ini sebanding dengan kopling kuat dalam struktur nano hibrida logam-semikonduktor [41] dan sistem material logam-2D [42]. Kami juga telah mempelajari kopling kuat struktur dengan polarisasi molekul sepanjang X -sumbu dan Y -sumbu, masing-masing. Hasil simulasi ditampilkan pada Gambar. 7.

Spektrum transmisi dengan molekul terpolarisasi di sepanjang arah X, Y, dan Z, masing-masing

Pada Gambar. 7, dua puncak yang membelah (710 nm, 1.747 eV; 717 nm, 1.717 eV) hanya muncul dalam struktur dengan polarisasi molekul sepanjang Z -sumbu. Molekul terpolarisasi sepanjang X -sumbu atau Y -sumbu menunjukkan perilaku kolektif yang kuat sebelum kopling dengan Au nanocavity atau susunan lubang nano Au. Perilaku kolektif S _k molekul terpolarisasi sepanjang X -sumbu atau Y -sumbu dapat dihitung dengan metode digabungkan-dipol [43]:

dimana k ₀ adalah vektor gelombang dalam ruang hampa, θ adalah sudut antara dua dipol, dan r =n L , n =1, 2, 3... Di sini, dengan kondisi \( \lambda =\frac {L}{\sqrt {i^{2}+j^{2}}}\) (i , j =0, 1, 2,..., tapi keduanya i dan j tidak sama dengan 0 pada saat yang sama), perilaku kolektif cukup besar, yang menyajikan singularitas dalam Persamaan. (3) [35, 43]. Ini menunjukkan penurunan resonansi dalam spektrum transmisi. Untuk molekul yang terpolarisasi sepanjang X -sumbu atau Y -sumbu, perilaku kolektif terlalu besar untuk melemahkan sambungan antara molekul dan rongga plasmonik. Kita hanya melihat orde Wood anomali [35] dengan orde (1, 1) pada spektrum transmisi di sekitar panjang gelombang 707 nm (1.756 eV), strong coupling tidak bisa muncul. Oleh karena itu, hanya molekul yang terpolarisasi sepanjang Z -sumbu dalam struktur yang kami usulkan dapat menghasilkan fenomena kopling yang kuat. Jika panjang gelombang resonansi molekul diubah, kopling kuat dalam sistem perangkap detuned biru juga dapat diperoleh dengan langkah-langkah di bawah ini. Pertama, menurut resonansi molekul, konstanta kisi dari susunan lubang nano dapat diperbaiki. Kedua, panjang gelombang kerja dari sistem perangkap detuned biru juga dapat ditentukan, yang bergantung pada konstanta kisi dari susunan lubang nano logam. Ketiga, distribusi medan elektromagnetik diperoleh untuk mencari posisi trapping. Akhirnya, kami menempatkan molekul pada posisi perangkap terbaik untuk menghitung spektrum transmisi dan transmisi dengan bentuk garis kopling yang kuat dapat diperoleh.