Золотую наночастицу спрятали за молекулой красителя ( 3 фото )

Vahid Sandoghdar et al. / Physical Review Letters, 2020

Физики смогли частично замаскировать золотую наночастицу с помощью молекулы красителя. Они сравнивали спектры пропускания золотых наночастиц в присутствии небольших молекул дибензотерилена и без них. В первом случае из-за когерентного плазмонного взаимодействия тень от наночастицы в спектре исчезала. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Если облучать золотую наночастицу светом определенной длины волны (зависящей от размера наночастицы), то она будет поглощать часть излучения и образовывать «тень» в спектре пропускания. Такая частица может переизлучить поглощенный свет или усилить сигнал молекулы, если она находится достаточно близко — все из-за возникающих на поверхности наночастицы плазмонов (подробнее о них вы можете прочитать в материале «Квантовая азбука»).

Ученые из Института физики Общества Макса Планка под руководством Вахида Сандохдара (Vahid Sandoghdar) исследовали спектры пропускания золотых наночастиц, вблизи которых находились молекулы красителя. Они предположили, что плазмонное взаимодействие наночастицы и молекулы может существенно повлиять на то, сколько излучения будет проходить через наночастицу.


(a) схема основной части экспериментальной установки, (b) фото структуры в растровом электронном микроскопе, (c) спектр пропускания двух золотых наночастиц и срез спектра (сверху), (d) спектр флуоресценции молекулы красителя, схема энергетических уровней красителя (вставка), (e) Плазмонный резонанс золотой наночастицы, (f) предсказанное увеличение прозрачности золотой наночастицы.

Vahid Sandoghdar et al. / Physical Review Letters, 2020

Чтобы это проверить, ученые взяли стеклянную подложку, на которой с помощью напыления золота, электронно-лучевой литографии и последующего травления с отжигом затем удалось получить наночастицы. Полученную структуры заливали раствором с низким содержанием молекул дибензотерилена и высушивали. В результате молекулы красителя хаотично располагались на поверхности, что позволяло изучать пары наночастица-краситель с разными взаимодействиями: где-то молекула и наночастица были близко друг к другу, где-то — чуть дальше. Расстояние между ними влияет на характер взаимодействия и приводит к различиям в спектре пропускания.

Для обнаружения молекул красителя, которые взаимодействуют с наночастицей, физики облучали одну фиксированную наночастицу разными длинами волн. В зависимости от расположения красителя относительно наночастицы, поглощение падающего излучения происходит на разных частотах, поэтому спектр флуоресценции образца состоит из нескольких пиков. Ученые рассматривали два самых ярких пика, один из которых оказался связан с плазмонным взаимодействием.

Молекулы, которые испытывают сильное плазмонное усиление, отличаются меньшим временем жизни, а также более широким и интенсивным пиком в спектре эмиссии. Ученые сравнивали эти параметры для двух разных молекул и подтвердили, что взаимодействие одной из них с золотой наночастицей связано с плазмонным резонансом. В спектре пропускания наночастицы при взаимодействии с такой молекулой вместо провала на частоте резонанса возникает пик, то есть наночастица не просто начинает поглощать меньше излучения — она становится прозрачной для определенной длины волны.


(a) спектр пропускания для двух разных молекул красителя (синий — в резонансе с наночастицей, фиолетовый — нет), (b), (c) то же, что и в (a), но для молекул, расположенных по разные стороны от точки фокусировки, (d) спектры пропускания при фокусировке в разных точках относительно наночастицы и результат моделирования (e).

Vahid Sandoghdar et al. / Physical Review Letters, 2020

Вид спектра наночастицы, которая плазмонно взаимодействует с молекулой, зависит не только от их взаимного расположения, но и от геометрических параметров наночастицы и ориентации красителя. Все эти условия сложно учесть при моделировании системы. Тем не менее, авторы показали, что модель связанных осцилляторов тоже хорошо описывает обнаруженное явление. Они измеряли спектры наночастицы при фокусировке падающего пучка в разных точках поверхности и обнаружили, что экспериментальные данные отлично согласуются с результатами моделирования. Таким образом, полученную систему также возможно и моделировать.

Возможность контроля пропускания оптического сигнала важна для разработки переключателей и регулировки фазы в фотонных квантовых вычислителях. Кроме этого, плазмонные эффекты можно использовать для создания перестраиваемых лазеров, как это сделали швейцарские ученые или, как показали американские физики, для увеличения КПД солнечных батарей.

Оксана Борзенкова