[論文レビュー] Suppressed Quenching and Strong Coupling of Purcell-Enhanced Single-Molecule Emission in Plasmonic Nanocavities

Nuttawut Kongsuwan, Angela Demetriadou+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2016

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、高次モードのプラズモンモードがハイブリダイズ化することで放射性性質を獲得し、それにより単分子発光のクエンチングが抑制されることを示している。これにより、室温下でも強い結合が実現可能となる。有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションとDNAオルタミを用いた発光体の位置決めにより、励起および放射性崩壊率の増大が示され、通常クエンチングが支配的となる10 nm未塔のギャップ内でも、パーセル効果による発光増強と非放射的損失の抑制が達成された。

ABSTRACT

An emitter in the vicinity of a metal nanostructure is quenched by its decay through non-radiative channels, leading to the belief in a zone of inactivity for emitters placed within $<$10nm of a plasmonic nanostructure. Here we demonstrate that in tightly-coupled plasmonic resonators forming nanocavities "quenching is quenched" due to plasmon mixing. Unlike isolated nanoparticles, plasmonic nanocavities show mode hybridization which massively enhances emitter excitation and decay via radiative channels. This creates ideal conditions for realizing single-molecule strong-coupling with plasmons, evident in dynamic Rabi-oscillations and experimentally confirmed by laterally dependent emitter placement through DNA-origami.

研究の動機と目的

• プラズモンナノ構造において強い電場増幅が見られるにもかかわらず、長年のパラドックスとしてのクエンチングの解消。
• 孤立したナノ粒子とは対照的に、密結合プラズモンナノキャビティ内に配置された単一発光体がなぜクエンチングを示さないかの説明。
• 室温下でのナノキャビティ内における単一分子とプラズモンの強い結合が実験的に達成可能であることを実証すること。
• 孤立ナノ粒子とプラズモンナノキャビティにおける放射性および非放射性崩壊チャネルの定量的比較。
• ナノキャビティ内でのモードハイブリダイゼーションが、暗黒的・非放射的モードを放射的モードに変換し、クエンチングを抑制することの確立。

提案手法

• プラズモンナノ構造内における2準位系発光体の空間的・時間的発光ダイナミクスをモデル化するための有限差分時間領域（FDTD）シミュレーション。
• 光-物質相互作用を記述し、励起および崩壊率を計算するための半古典的マクスウェル＝ブロイの理論の使用。
• 孤立ナノ粒子とNPoMナノキャビティ間での正規化励起率（γ̃exc）および量子収率（η）の定量的比較。
• DNAオルタミナノ構造を用いて、プラズモンナノキャビティのナノギャップ内でのさまざまな距離（z）に単一発光体を正確に位置づける。
• オーム損失を用いて非放射性崩壊を計算し、∫V Re{j(r) · E∗em(r)} dr³ を用いる。ここでjは誘導電流密度、Eemは発光体の電場を表す。
• ハイブリダイゼーション項を段階的に高次の項（lc = 2, 3, 5, 10）に切り替えることで、モード混合が発光増強に与える寄与を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発光体が金属表面に近接しているにもかかわらず、なぜプラズモンナノキャビティではクエンチングが発生しないのか？
• RQ2 ナノキャビティ内でのモードハイブリダイゼーションが、単一発光体の放射性および非放射性崩壊経路にどのように影響を与えるか？
• RQ3 室温下のナノキャビティ内において、単一分子とプラズモンの強い結合を達成できるか？
• RQ4 10 nm未塔のギャップ内での非放射的崩壊の抑制に、高次プラズモンモードが果たす役割は何か？
• RQ5 孤立ナノ粒子と比較して、ナノキャビティ内での発光体の位置決めが、パーセル因子および量子収率をどの程度向上させるか？

主な発見

• 発光体がナノギャップ中心に近づくにつれて、プラズモンナノキャビティ内での発光率（γ̃em）は数個のオーダー増加するが、これは10 nm未塔でクエンチングが支配的となる孤立ナノ粒子とは対照的である。
• 孤立ナノ粒子では、暗黒的・非放射的高次プラズモンモードへの結合によりクエンチングが発生し、z < 10 nm で量子収率（η）が0.2未満に低下する。
• NPoMナノキャビティ内では、ハイブリダイズされたモードが放射的性質を獲得するため、z = 0 nm であっても量子収率（η）が高く（0.8以上）維持される。
• ナノキャビティ内では、場の局在化とアンテナ効果により励起率（γ̃exc）が最大100倍増加し、全体的な発光増強に寄与する。
• FDTDシミュレーションにより、ナノキャビティ内でのモードハイブリダイゼーションが非放射的経路を放射的経路に変換し、孤立粒子と比較して1−η（非放射的損失）成分が50%以上減少することが示された。
• DNAオルタミを用いた実験的検証により、ギャップが小さくなるにつれて発光強度が増加し、ナノキャビティ領域におけるクエンチングの抑制が確認された。