[논문 리뷰] Suppressed Quenching and Strong Coupling of Purcell-Enhanced Single-Molecule Emission in Plasmonic Nanocavities

Nuttawut Kongsuwan, Angela Demetriadou외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 08.

Plasmonic and Surface Plasmon Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고차 플라스모닉 모드가 복사성 특성을 획득하도록 하이브리드화되어 단일 분자 발광의 비복사 손실을 억제함으로써, 실온에서도 강한 결합이 가능하게 하는 플라스모닉 나노공진기의 메커니즘을 입증한다. 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션과 DNA 오리지니 기반의 발광체 정렬을 통해, 10nm 이하의 간극에서 비복사 손실이 지배적인 상황에서도 강화된 자극 및 복사 감쇠 속도를 관찰하였으며, 이로 인해 풀리-팩터 증폭된 발광이 발생함을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 전기장 증폭에도 불구하고 플라스모닉 나노구조에서 발생하는 오랜 역설인 비복사 손실 문제를 해결하기 위해.
• 고립된 나노입자에서는 비복사 손실이 지배적이지만, 밀접하게 결합된 플라스모닉 나노공진기 내에서 단일 발광체가 비복사 손실을 겪지 않는 이유를 설명하기 위해.
• 실온에서 단일 분자와 플라스몬 간의 강한 결합이 나노공진기에서 실험적으로 가능함을 입증하기 위해.
• 고립된 나노입자와 플라스모닉 나노공진기 간의 복사 및 비복사 감쇠 채널을 정량화하기 위해.
• 나노공진기 내에서의 모드 하이브리드화가 어두운 비복사 모드를 복사성 모드로 전환시켜 비복사 손실을 억제함으로써 비복사 손실을 억제함을 규명하기 위해.

제안 방법

• 플라스모닉 나노구조 내에서 이중준위 발광체의 시공간적 발광 역학을 모델링하기 위해 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 빛-물질 상호작용을 기술하고 자극 및 감쇠 속도를 계산하기 위해 반고전적 맥스웰-블로흐 이론을 사용하였다.
• 고립된 나노입자와 NPoM 나노공진기 간의 정규화된 자극 속도(γ̃exc) 및 양자 수율(η)을 정량적으로 비교하였다.
• 플라스모닉 나노공진기의 나노간극 내에서 다양한 거리(z)에 단일 발광체를 정밀하게 정렬하기 위해 DNA 오리지니 나노구조를 구현하였다.
• 오믹 손실을 통해 비복사 감쇠를 계산하기 위해 ∫V Re{j(r) · E∗em(r)} dr³을 사용하였으며, 여기서 j는 유도 전류 밀도이고 Eem은 발광체의 전계이다.
• 하이브리드화 항목을 점차 증가된 순서(lc = 2, 3, 5, 10)로 잘라내어 모드 혼합이 발광 증폭에 기여하는 기여도를 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 발광체가 금속 표면에 매우 가까이 위치해도 플라스모닉 나노공진기에서는 왜 비복사 손실이 발생하지 않는가?
• RQ2 나노공진기 내에서의 모드 하이브리드화가 단일 발광체의 복사 및 비복사 감쇠 경로에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 실온에서 단일 분자와 플라스몬 간의 강한 결합이 나노공진기에서 달성될 수 있는가?
• RQ4 10nm 이하의 간극에서 고차 플라스모닉 모드가 비복사 감쇠를 억제하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 고립된 나노입자에 비해 나노공진기 내에서 발광체 정렬이 풀리-팩터와 양자 수율을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 플라스모닉 나노공진기 내에서 발광 속도(γ̃em)는 나노간극 중심에 가까워질수록 수 개의 주기 수준으로 증가하는 반면, 고립된 나노입자에서는 10nm 이하에서 비복사 손실이 지배적이므로 감쇠가 발생한다.
• 고립된 나노입자에서는 어두운 비복사 고차 플라스모닉 모드와의 결합으로 인해 비복사 손실이 발생하며, z < 10 nm에서 양자 수율(η)이 0.2 이하로 감소한다.
• NPoM 나노공진기에서는 하이브리드화된 모드가 복사성 특성을 획득함으로써 비복사 감쇠가 억제되어, z = 0 nm에서도 양자 수율(η)이 높게 유지되며 0.8 이상을 유지한다.
• 나노공진기 내에서 필드 집중 및 안테나 효과로 인해 자극 속도(γ̃exc)가 최대 100배 향상되어 전체 발광 증폭에 기여한다.
• FDTD 시뮬레이션 결과, 나노공진기 내에서의 모드 하이브리드화로 인해 비복사 경로가 복사 경로로 전환되어 고립된 입자에 비해 1−η(비복사 손실) 성분이 50% 이상 감소함을 확인하였다.
• DNA 오리지니 정렬을 통한 실험적 검증 결과, 간극이 작아질수록 발광 강도가 증가함을 관찰하였으며, 이는 나노공진기 영역에서 비복사 손실이 억제됨을 확인하였다.