danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2019-63-1-29-36dan-582Research ArticleФИЗИКАPHYSICSРезонансное усиление флуоресценции квантовых точек у поверхности плазмонных пленокResonant enhancement of the nanocrystals fluorescence near the plasmonic film surfaceАскиркаВ. Ф.AskirkaV. F.

Аскирка Валентин Федорович - магистр естественных наук, ст. преподаватель.

Ул. Ожешко, 22, 230023, Гродно

Askirka Valiantsin Fedaravich - Master of natural sciences, Senior lecturer.

22, Ozheshko Str., 230023, Grodno

vaskir-ka@grsu.byМотевичИ. Г.MotevichI. G.

Мотевич Инна Григорьевна - кандидат физико-математических наук, доцент.

Motevich Inna Grigorjevna - Ph. D. (Physics and Mathematics), Associate professor.

22, Ozheshko Str., 230023, Grodno

i.motevich@grsu.byМаскевичС. А.MaskevichS. A.

Маскевич Сергей Александрович - доктор физико-математических наук, профессор, директор.

Ул. Долгобродская, 23/1, 220070, Минск

Maskevich Sergei Aleksandrovich - D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Director.

23/1, Dolgobrodskaya Str., 220070, Minsk

sergei.maskevich@gmail.comСтрекальН. Д.StrekalN. D.

Стрекаль Наталья Дмитриевна - доктор физико-математических наук, профессор.

Ул. Ожешко, 22, 230023, Гродно

Strekal Natallia Dmitrievna - D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor.

22, Ozheshko Str., 230023, Grodno

nat@grsu.byГродненский государственный университет имени Янки КупалыYanka Kupala State University of GrodnoМеждународный государственный экологический институт имени А.Д. Сахарова, Белорусский государственный университетInternational Sakharov Environmental Institute, Belarusian State University2019110320196312936Copyright © Аскирка В.Ф., Мотевич И.Г., Маскевич С.А., Стрекаль Н.Д., 20192019Аскирка В.Ф., Мотевич И.Г., Маскевич С.А., Стрекаль Н.Д.Askirka V.F., Motevich I.G., Maskevich S.A., Strekal N.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/582

Эффективное усиление сигнала флуоресценции хромофоров, адсорбированных непосредственно на плазмонные пленки (ПП), можно наблюдать в условиях сильного спектрального резонанса между плазмонным поглощением и поглощением хромофора. Указанный эффект, на первый взгляд, противоречит установленным механизмам полного тушения флуоресценции хромофоров при их адсорбции непосредственно на поверхность металла. Однако при определенных условиях усиление сигнала флуоресценции наблюдается как для неорганических, так и органических хромофоров. Для понимания эффекта и условий, при которых он может наблюдаться, мы предлагаем исходить из двух основополагающих факторов, определяющих вероятности квантовых переходов, - матричного элемента перехода, ответственного за наблюдаемое излучение, и плотности конечных состояний. Однако при определении матричного элемента перехода необходимо учитывать наличие нескольких хромофорных систем (адсорбированные хромофоры и локализованные плазмоны), способных поглощать возбуждающее излучение и еще одной плазмон-поляритонной системы, имеющей светоподобную природу и способной к излучению световых квантов, а также взаимодействие между ними, которое может быть описано в рамках обмена виртуальными фотонами. Учитывая, что расстояния между наночастицами намного меньше длины волны света и дипольное приближение не работает, мы предлагаем использовать квантовую концепцию обмена виртуальными фотонами в ближнем оптическом поле - «одетыми» фотонами. Эта концепция заимствована из физики элементарных частиц и уже хорошо адаптирована к проблемам нанофотоники М. Отсу. Второй фактор, который также может давать значительный вклад в усиление, - это модификация плотности как электронных, так и фотонных состояний - эффект, который предложен С. В. Гапоненко в качестве модели, ответственной за усиление гигантского комбинационного рассеяния света хромофоров в стоксовой и антистоксовой области вблизи наночастиц с плазмонными свойствами. В данной работе обсуждаются такие ключевые факторы, ответственные за усиление флуоресценции наночастиц CdSe/ZnS и эффективный обмен виртуальными фотонами, как размер наночастиц, расстояния между ними и наличие спектрального перекрытия, указывающего на возможность резонансных взаимодействий между плазмонами и хромофорами.

Представлено академиком С.В. Гапоненко

Effective enhancement of the fluorescence signal of chromophores adsorbed directly onto plasmonic films can be observed under conditions of strong spectral resonance between plasmon and chromophore absorptions. This effect seems to contradict the established mechanisms of complete quenching of the fluorescence of chromophores under their adsorbtion directly onto the metal surface. However, under certain conditions, enhancement of the fluorescence signal is observed for both inorganic and organic chromophores. To understand the effect and conditions of its observation, we propose to use the quantum concept of virtual photon exchange in the near optical field - dressed photons. This concept is borrowed from the physics of elementary particles and is already well adapted to the problems of nanophotonics by M. Otsu. In this paper, we discuss exclusively the key factors responsible for enhancement of fluorescence of CdSe/ZnS nanocrystals and the effective dressed photons exchange: the size of nanoparticles, the distance between them, and the presence of spectral overlap indicating the possibility of resonant interactions between plasmons and chromophores.

Communicated by Academician Sergei V. Gaponenko

CdSe/ZnS наночастицыплазмонный квантовый излучательвзаимодействие в ближнем полеусиление флуоресценции«одетый» фотонCdSe/ZnS nanocrystalsplasmon quantum emitternear-field couplingfluorescence enhancementdressed photonМинистерство образования Республики Беларусь («Электроника и фотоника» 1.2.02; «Конвергенция» 3.2.08); Белорусский республиканский фонд фундаментальных исследований. грант Ф18Р-314Ministry of Education of the Republic of Belarus (“Electronics and Photonics” 1.2.02; “Convergence” 3.2.08); Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research, grant Ф18Р-314ReferencesCompetition between Local Field Enhancement and Nonradiative Resonant Energy Transfer in the Linear Absorption of a Semiconductor Quantum Dot Coupled to a Metal Nanoparticle / X. Liu [et al.] // J. Phys. Chem. C. - 2016. - Vol. 120, N 32. - P. 18220-18227. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b03637Liu X., Yue Q., Yan T., Li J., Yan W., Ma J., Zhao C., Zhang X. Competition between Local Field Enhancement and Nonradiative Resonant Energy Transfer in the Linear Absorption of a Semiconductor Quantum Dot Coupled to a Metal Nanoparticle. Journal of Physical Chemistry C, 2016, vol. 120, no. 32, pp. 18220-18227. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b03637Selective enhancement of Raman or fluorescence spectra of biomolecules using specifically annealed thick gold films / N. Strekal [et al.] // Biopolymers. - 2000. - Vol. 57, N 6. - P. 325-328. https://doi.org/10.1002/1097-0282(2000)57:6%3C325::aid-bip10%3E3.0.co;2-7Strekal N., Maskevich A., Maskevich S., Jardillier J.-C., Nabiev I. Selective enhancement of Raman or fluorescence spectra of biomolecules using specifically annealed thick gold films. Biopolymers, 2000, vol. 57, no. 6, pp. 325-328. https://doi.org/10.1002/1097-0282(2000)57:6%3C325::aid-bip10%3E3.0.co;2-7Enhanced Luminescence of CdSe Quantum Dots on Gold Colloids / O. Kulakovich [et al.] // Nano Lett. - 2002. - Vol. 2, N 12. - P. 1449-1452. https://doi.org/10.1021/nl025819kKulakovich O., Strekal N., Yaroshevich A., Maskevich S., Gaponenko S., Nabiev I., Woggon U., Artemyev M. Enhanced Luminescence of CdSe Quantum Dots on Gold Colloids. Nano Letters, 2002, vol. 2, no. 12, pp. 1449-1452. https://doi.org/10.1021/nl025819kGeddes, C. D. Reviews in Plasmonics / C. D. Geddes. - New York: Springer-Verlag, 2010. - 334 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-0884-0Geddes C. D. Reviews in Plasmonics. New York, Springer-Verlag, 2010. 334 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-0884-0Ohtsu, M. Progress in Nanophotonics 1 / M. Ohtsu // Nano-Optics and Nanophotonics. - Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. - 238 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-17481-0Ohtsu M. Progress in Nanophotonics 1. Nano-Optics and Nanophotonics. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2011.238 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-17481-0Features of the Secondary Emission Enhancement Near Plasmonic Gold Film / N. D. Strekal [et al.] // Plasmonics. -2008. - Vol. 4, N 1. - P. 1-7. https://doi.org/10.1007/s11468-008-9063-1Strekal N. D., Kulakovich O. S., Askirka V F., Sveklo I., Maskevich S. Features of the Secondary Emission Enhancement Near Plasmonic Gold Film. Plasmonics, 2008, vol. 4, no. 1, pp. 1-7. https://doi.org/10.1007/s11468-008-9063-1Стрекаль, Н. Д. Размерный эффект в формировании спектров вторичного свечения хромофоров вблизи поверхности с плазмонными свойствами / Н. Д. Стрекаль // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. - 2014. - Т. 58, № 2. - С. 50-53.Strekal N. D. Dimensional effect in the formation of secondary chromophore fluorescence spectra near the surface with plasmonic properries. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2014, vol. 58, no. 2, pp. 50-53 (in Russian).Shchegrov, A. V. Scattering of Surface Plasmon Polaritons by a Circularly Symmetric Surface Defect / A. V. Shchegrov, I. V. Novikov, A. A. Maradudin // Phys. Rev. Lett. - 1997. - Vol. 78, N 22. - P. 4269-4272. https://doi.org/10.1103/physrevlett.78.4269Shchegrov A. V, Novikov I. V., Maradudin A. A. Scattering of Surface Plasmon Polaritons by a Circularly Symmetric Surface Defect. Physical Review Letters, 1997, vol. 78, no. 22, pp. 4269-4272. https://doi.org/10.1103/physrevlett.78.4269Reversing the size-dependence of surface plasmon resonances / S. Peng [et al.] // PNAS. - 2010. - Vol. 107, N 33. -P. 14530-14534. https://doi.org/10.1073/pnas.1007524107Peng S., McMahon J. M., Schatz G. C., Gray S. K., Sun Y Reversing the size-dependence of surface plasmon resonances. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010, vol. 107, no. 33, pp. 14530-14534. https://doi.org/10.1073/pnas.1007524107The enhancement of Raman scattering, resonance Raman scattering, and fluorescence from molecules adsorbed on a rough silver surface / D. A. Weitz [et al.] // J. Chem. Phys. - 1983. - Vol. 78, N 9. - P. 5324-5338. https://doi.org/10.1063/L445486Weitz D. A., Garoff S., Gersten J. I., Nitzan A. The enhancement of Raman scattering, resonance Raman scattering, and fluorescence from molecules adsorbed on a rough silver surface. Journal of Chemical Physics, 1983, vol. 78, no. 9, pp. 5324-5338. https://doi.org/10.1063/L445486Formation of the hot spots by CdSe/ZnS nanocrystalls and metal nanoparticles and their detection by near-field optical microscopy and far-field fluorescence / V. F. Askirka [et al.] // XV International Conference on Quantum Optics and Quantum Information: Book of abstracts. - Minsk, 2017. - P. 80-81.Askirka V F., Motevich I. G., Filimonenko D. S., Maskevich S., Strekal N. D. Formation of the hot spots by CdSe/ZnS nanocrystalls and metal nanoparticles and their detection by near-field optical microscopy and far-field fluorescence XV International Conference on Quantum Optics and Quantum Information, Book of abstracts. Minsk, 2017, pp. 80-81.ohtsu M. Dressed Photons: Concepts of Light-Matter Fusion Technology. - Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2014. - 324 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-39569-7Ohtsu M. Dressed Photons: Concepts of Light-Matter Fusion Technology. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2014. 324 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-39569-7Near-field optical potential for a neutral atom / K. Kobayashi [et al.] // Phys. Rev. A. - 2001. - Vol. 63, N 1. P. 013806. https://doi.org/10.1103/physreva.63.013806Kobayashi K., Sangu S., Ito H., Ohtsu M. Near-field optical potential for a neutral atom. Physical Review A, 2001, vol. 63, no. 1, pp. 013806. https://doi.org/10.1103/physreva.63.013806Nguyen, V. H. Quantum field theory of interacting plasmon-photon system / V. H. Nguyen, B. H. Nguyen // Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. - 2015. - Vol. 6, N 2. - P. 025010. https://doi.org/10.1088/2043-6262/6/2/025010Nguyen V H., Nguyen B. H. Quantum field theory of interacting plasmon-photon system. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2015, vol. 6, no. 2, pp. 025010. https://doi.org/10.1088/2043-6262/6/2/025010Gaponenko, S. V. Effects of Photon Density of States on Raman Scattering in Mesoscopic Structures / S. V. Gaponenko // Phys. Rev. B. - 2002. - Vol. 65, N 14. - P. 140303(R). https://doi.org/10.1103/physrevb.65.140303Gaponenko S. V Effects of Photon Density of States on Raman Scattering in Mesoscopic Structures. Physical Review B, 2002, vol. 65, no. 14, pp. 140303(R). https://doi.org/10.1103/physrevb.65.140303

The authors declare that there are no conflicts of interest present.