Квантовая плазмоника — это изучение квантовых свойств света и его взаимодействия с веществом на наноуровне. Как ни интригует, их трудно регулировать из-за отсутствия надлежащих поверхностных пространств для обратимого приведения в действие зазоров менее 1 нанометра. В области экстремальной нанофотоники исследователи показали, как плазмоны с нанощелями могут поддерживать надежное усиление поля, предоставляя уникальные возможности доступа к одной молекуле для сильной связи и к одному атому для квантового катализа . В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances , Чи Чжан и группа ученых в области физики, науки и технологий из Ухани, Китай, показали, что надмолекулярные системы, состоящие из олигоамидных последовательностейможет обратимо переключать щелевые плазмоны наночастиц золота между классическими и квантовыми туннельными областями за счет надмолекулярных взаимодействий. Результаты показали, что детальный плазмонный сдвиг вблизи предела квантового туннелирования хорошо согласуется с классической моделью и моделью с квантовой коррекцией. Команда отметила, как плазмонное горячее электронное туннелирование в областях квантового туннелирования увеличивает проводимость в нанозазорах, чтобы сформировать многообещающий прототип оптически настраиваемых квантово-плазмонных наноустройств в классическом и квантовом режимах.
Формирование олигоамидных последовательностей
Благодаря широкому спектру применений в нанооптике, материаловедении и сборе энергии плазмоника десятилетиями процветала в динамичных и междисциплинарных областях . Поскольку многие из превосходных плазмонных свойств связаны с их большим удержанием электрического поля и малым объемом моды, квантовые физики могут создавать плазмонные нанощели как горячую тему в наноплазмонике . Плазмон с нанощелью очень чувствителен к расстоянию между щелями и может формировать наноразмерную « плазмонную линейку » для наноактивации , молекулярного зондирования и определения химического состава и толщины чрезвычайно тонких пленок .с разрешением, простирающимся до субпикометрового диапазона. Однако по-прежнему сложно обратимо переключать нанощели через предел квантового туннелирования (квантово-механическое явление, когда волновая функция может распространяться через потенциальный барьер) по сравнению с классической и квантово- механической моделями из-за отсутствия системы переключения . В результате многие методы изготовления, направленные на формирование квантово-механических эффектов для плазмонов в нанощелевых структурах, основаны на нанотехнологии. Супрамолекулярные системы субнанометрового масштаба могут предоставить уникальные возможности для достижения квантового предела. Чтобы облегчить вхождение в квантово-плазмонный режим, Zhang et al. разработал искусственную систему для переключения через субнанометровые промежутки через предел квантового туннелирования. В этой работе они использовали олигоамидные фолдамеры ; набор супрамолекулярных систем, спроектированных так, чтобы соответствовать нанометровому диапазону, чтобы облегчить квантово-плазмонные переходы для квантовых оптоэлектронных устройств.
Эксперименты
Команда химически сконструировала повторяющиеся звенья олигоамидных последовательностей, чтобы соответствовать структурам чуть ниже квантового предела. Размещение их в плазмонных нанозазорах чрезвычайно помогло обратимому переключению между классической и квантовой плазмонными областями, чтобы помочь пролить свет на квантовые плазмонные переходы и показать важные последствия для квантовых устройств. В ходе экспериментов Zhang et al. впервые синтезировал олигоамидную последовательность-1 (OS-1), несущую тиоловую группу на пиридиновом конце .а затем изготовили самособирающийся монослой двойной спирали OS-1 на золотых пленках путем капельного литья наночастиц золота поверх связей золото-сульфид. Затем они настроили размер зазора, изменив их конформацию после размещения антипараллельных двойных спиралей между наночастицами золота и зеркалом. Ученые охарактеризовали наночастицы золота на зеркале (NPoM) с помощью спектроскопии рассеяния в темном поле . Результаты показали движение, вызванное растворителем, поэтому они изменили полярность растворителей, отрегулировав соотношение компонентов метанола и дихлорметана, как это было предсказано SPARTAN.программное обеспечение. Чжан и др. также отметили, что равновесие одиночных и двойных спиралей олигоамидных последовательностей зависит от температуры, поэтому процесс можно обратить вспять при охлаждении. Команда воспроизвела термоиндуцированный плазмонный переключатель в течение нескольких циклов; Золотая плазмонная линейка NPoM (наночастицы на зеркале) предоставила простой механизм для наблюдения за сборкой и разборкой двойных спиралей с субангстремным разрешением с помощью спектроскопии рассеяния.
Моделирование и оптимизированные эксперименты
Чтобы еще больше уменьшить размер щели ниже предела квантового туннелирования, Zhang et al. выбрали более короткую олигоамидную последовательность-2 (OS-2) только с двумя звеньями фторхинолина в качестве самособирающегося монослоя спейсера. Полученный OS-2 сформировал единую спиральную нить высотой 1,0 нм для переключения прямо через предел квантового туннелирования . Увеличивая соотношение метанола и дихлорметана, Zhang et al. отмечены красные смещения плазмонного резонансав результате сокращения двойных спиралей. Затем команда смоделировала корреляцию содержания метанола и размера двойной спирали с помощью программного обеспечения SPARTAN, которое они использовали в качестве размера промежутка соответствующего плазмонного пика. Реальный размер зазора может быть меньше моделируемого значения. Плазмонные пики согласуются с моделью с квантовой коррекцией, указывая на предел квантового туннелирования около 0,6 нм, что согласуется с предыдущими отчетами .
Квантовое туннелирование
Во время экспериментов они проводили туннелирование горячих электронов с помощью лазерного возбуждения, чтобы внести вклад в проводимость нанощелей. Чжан и др. отметил синее смещение связанных плазмонов при лазерном облучении, которое переключалось обратно при выключении лазера. Они использовали лазер непрерывного действия малой мощности, где повышение температуры в нанозазоре составляло всего 0,2 градуса Цельсия, не влияя на молекулярные конформации. Команда надежно воспроизвела переключение в течение многих циклов, включая и выключая лазер, чтобы исключить возможность эффекта перекрытия нанозазора, вызванного лазерным облучением .. Для контрольных экспериментов Zhang et al. использовали одноцепочечный OS-1 в контрастном образце в качестве разрывной среды и не наблюдали фотопереключения плазмонов. Затем они рассчитали увеличение проводимости нанощелей, которые способствовали переносу горячих электронов, по сравнению с количеством горячих электронов, созданных лазерным возбуждением в присутствии молекул OS-2. Во время расчетов команда учитывала электрический заряд и подвижность горячих электронов в молекулах OS-2, где общая проводимость увеличивалась от горячих электронов для приблизительной квантовой проводимости . Результат хорошо согласовывался с экспериментами по представлению спектральных характеристик состояний квантовой проводимости, что имело большое значение для квантовых оптоэлектронных устройств.
Перспектива
Таким образом, Чи Чжан и его коллеги разработали олигоамидные последовательности (ОС), основанные на супрамолекулярных системах с рядом повторяющихся строительных блоков, чтобы приспособиться к разным размерам промежутков для разных диапазонов плазмонного переключения. Супрамолекулярная система функционирует как нанопривод в плазмонных нанозазорах для пружинного наноприведения в действие наночастиц золота на зеркале (NPoM) с потенциальными применениями для наномашин. Плазмонную систему можно использовать как датчик температуры или растворителей, основанный на смещении плазмонных резонансов. Установка применима в качестве точной плазмонной линейки для наблюдения за изменяющейся конформацией олигоамидной последовательности путем измерения спектров рассеяния каждой отдельной наночастицы золота, чтобы сформировать фундаментальный инструмент / инструмент в супрамолекулярной химии.
