Резонансное усиление флуоресценции квантовых точек у поверхности плазмонных пленок

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

1. Competition 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.6b03637

2. Selective 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;2-7

3. Enhanced 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/nl025819k

4. Geddes, C. D. Reviews in Plasmonics / C. D. Geddes. - New York: Springer-Verlag, 2010. - 334 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-0884-0

5. Ohtsu, M. Progress in Nanophotonics 1 / M. Ohtsu // Nano-Optics and Nanophotonics. - Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. - 238 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-17481-0

6. Features 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/s11468-008-9063-1

7. Стрекаль, 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.

8. 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.78.4269

9. Reversing 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.1007524107

10. The 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/L445486

11. Formation 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.

12. ohtsu M. Dressed Photons: Concepts of Light-Matter Fusion Technology. - Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2014. - 324 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-39569-7

13. Near-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.63.013806

14. Nguyen, 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/10.1088/2043-6262/6/2/025010

15. Gaponenko, 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.65.140303