جفت شدگی ترتیبی در نانوذرات سه مولفه ای پلاسمون- اکسایتون – پلاسمون

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه ، دانشگاه قم، قم

چکیده
در این پژوهش، با بهره‌گیری از روش شبیه‌سازی تفاضل محدود در حوزه زمان (FDTD)، پاسخ اپتیکی ساختارهای آمیختۀ پلاسمون–اکسایتون–پلاسمون (PEP) شامل نانوذرات فلزی قرصی‌ از جنس نقره و طلا، به‌همراه اکسایتون­های مولکولی از جنس رنگدانه­های سیانین با انباشت J مورد بررسی قرار گرفت. در گام نخست، طیف‌های خاموشی اجزای منفرد فلزی و مولکول­های رنگدانه­­ای به‌طور جداگانه تحلیل شد تا ویژگی‌های تشدید ذاتی هر یک از اجزا شناسایی گردد. در ادامه، تاثیر تغییر پارامترهای ساختاری بر جفت‌شدگی بین آن­ها مورد ارزیابی قرار گرفت. طیف‌های حاصل، سه شاخۀ آمیختۀ متمایز شامل شاخۀ پایینی (L)، میانی(M)  و بالایی (U) را نمایان ساخت که نشان‌دهندۀ برهم‌کنش مولفه­های اولیۀ پلاسمونی و اکسایتونی با یکدیگر است. با دنبال کردن تغییرات بسامد واکوکی، مسیرهای جفت‌شدگی بین تشدیدهای پلاسمونی و اکسایتونی مشخص گردید. نتایج به‌وضوح نقش کلیدی اندازۀ­‌ نانوذرات و تغییرات واکوکی در شکافتگی رابی و رفتار غیرمتقاطع حالت‌های آمیخته را نشان می‌دهد. این مطالعه چارچوب جامعی برای مهندسی طیفی ساختارهای آمیختۀ PEPارائه می‌دهد و پتانسیل بالای آن‌ها را در توسعۀ دستگاه‌های نانوفوتونیکی پیشرفته، حسگرهای زیستی مبتنی بر برهم‌کنش‌های PEP را برجسته می‌سازد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Sequential coupling in plasmon–exciton–plasmon ternary nanoparticles

نویسندگان English

Abed Alemahmud ardehaei
Emadoddin Yaghooti
Ferydon Babaei
Department of Physics, Faculty of Science,University of Qom
چکیده English

In this study, the optical response of plasmon–exciton–plasmon (PEP) hybrid structures was investigated using the finite-difference time-domain (FDTD) simulation method. The structures were composed of disk-shaped metallic nanoparticles made of silver and gold, combined with molecular excitons originating from J-aggregated cyanine dyes. As an initial step, the extinction spectra of the individual metallic components and dye molecules were analyzed separately to identify the intrinsic resonance characteristics of each component. Subsequently, the influence of structural parameter variations on the coupling strength between the constituents was evaluated. The resulting spectra exhibited three distinct hybrid branches, namely the lower (L), middle (M), and upper (U) branches, indicating the interaction between the fundamental plasmonic and excitonic modes. By tracking the variations in detuning frequency, the coupling pathways between the plasmonic and excitonic resonances were identified.The results clearly demonstrate the pivotal role of nanoparticle size and detuning in Rabi splitting and the anti-crossing behavior of the hybrid modes. This study provides a comprehensive framework for spectral engineering of PEP hybrid structures and highlights their high potential for developing advanced nanophotonic devices and PEP-based biosensors.

کلیدواژه‌ها English

Plasmon
Excitons
Plexcimon
Sequential coupling
Rabi splitting
  1. C E Petoukhoff, K M Dani, and D M O’Carroll, Polymers 12 (2020) 2141.
  2. Y Chen and M Sun, Nanoscale 15 (2023) 11834.
  3. L Greten, et al., Phys. Rev. B 111 (2025) 205438.
  4. Y M Lee, S E Kim, and J E Park, Nano Convergence 10 (2023) 34.
  5. F Stete, M Bargheer, and W Koopman, Nanoscale 15 (2023) 16307.
  6. Y Tang, et al., Light: Sci. Appl. 11 (2022) 94.
  7. S Cho, et al., Sci. Adv. 7 (2021) eabf3362.
  8. F Freire Fernández, et al., Nature Reviews Materials10 (2025) 604.
  9. K L Kelly, et al., J. Phys. Chem. B 107 (2003) 668.
  10. S A Maier, et al., Adv. Mater. 13 (2001) 1501.
  11. P Hashemi, et al., Journal of the Optical Society of America B42 (2025) 1366.
  12. P Vasa and C Lienau, ACS Photonics 5 (2018) 2.
  13. G Zengin, et al., Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 157401.
  14. P Törmä and W L Barnes, Rep. Prog. Phys. 78 (2014) 013901.
  15. K Santhosh, et al., Nat. Commun. 7 (2016) 11823.
  16. Y Niu, et al., Nanophotonics 12 (2023) 735.
  17. S Balci and C Kocabas, Opt. Lett. 40 (2015) 3424.
  18. E Yaghooti, F Babaei, and R Liu, Nanoscale 14 (2025) 8933.
  19. Z He, et al., Nanomaterials 12 (2022) 1242.
  20. V S Lebedev and A D Kondorskiy, Usp. 68 (2025) 46.
  21. M Zhang, et al., Nanophotonics 12 (2023) 3267.
  22. H Yang, et al., J. Phys. Chem. C 121 (2017) 25455.
  23. J Dey, A Virdi, and M Chandra, Nanoscale 15 (2023) 17879.
  24. Y Niu, H Xu, and H Wei, Rev. Lett. 128 (2022) 167402.
  25. K Santhosh, et al., Nat. Commun. 7 (2016) 11823.
  26. J Bellessa, et al., Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 036404.
  27. R Chikkaraddy, et al., Nature 535 (2016) 127.
  28. B Zhang and W Liang, J Chem. Phys. 152 (2020) 014302.
  29. P Vasa and C Lienau, ACS Photonics 5 (2018) 2.
  30. J B Khurgin, Nanotechnol. 10 (2015) 2.
  31. S Link and M A El-Sayed, J. Phys. Chem. B 103 (1999) 4212.
  32. K L Kelly et al., J. Phys. Chem. B 107 (2003) 668.
  33. C Novo, A M Funston, and P Mulvaney, Nanotechnol. 3 (2008) 598.
  34. E Prodan, et al., Science 302 (2003) 419.
  35. T Sandu, J Nanopart. 14 (2012) 1.
  36. M Sadeghzadeh, A Mohammadi, and T Jalali, Results Chem. 16 (2025) 102450.
  37. Y Tang, et al., Light: Sci. Appl. 11 (2022) 94.
  38. J Qin, et al., Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 063902.
  39. G D Scholes, Faraday Discuss. 221 (2020) 265.

تحت نظارت وف بومی