Ultrasensitive Nonlinear Vibrational Spectroscopy Using Light-Matter Strong Coupling

利用光-物质强耦合的超灵敏非线性振动光谱

基本信息

批准号：
20F20067
负责人：
芦原聡
金额：
$ 1.47万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20F20067/
关键词：
プラズモニクス強結合分子振動赤外分光化学反応制御

项目摘要

本研究では、赤外光と分子振動の相互作用が顕著に高まった状態、すなわち「強結合」を生成する手法を提案し、数値計算と実験を通してその原理実証に成功した。特に、放射ロスが抑制された微小なプラズモン共振器を設計し、それを用いることにより、これまで報告された中で最も小さなモード体積での強結合を実現した。本成果は、振動分光の高感度化に資する点で重要な意義をもつ。赤外光と分子振動の強結合により、分光計測における信号が顕著に増強される。例えば、マイクロ流路における少数分子の高感度検出に資するだろう。本成果は、化学反応制御の新たな可能性を提供する点でも重要な意義をもつ。分子振動を電磁場と強く相互作用させると、対象とする分子振動モードの基準座標に沿って、ポテンシャル曲面の形状が変化するため、特定の化学反応を促進あるいは抑制することが可能になるのである。以下、成果の詳細を記す。１）高Q値のプラズモン共振器：金属-分子膜-金属というサンドイッチ構造を採用することにより、対象分子を閉じ込めた微小かつ高Q値の共振器を設計した。２）真空ラビ分裂の観測：ポリメタクリル酸メチル樹脂のCO伸縮振動モードを対象とし、反射スペクトルを計測したところ、共振器と分子振動の共鳴が分裂した新しい共鳴構造（エネルギー分裂量＞100 cm-1）が確認された。また、顕微反射分光法により、この強結合が単一プラズモン共振器によって達成されていることを確認した。３）ナノスケール共振器がもたらす効果：厚みの異なる共振器でのラビ分裂量から、厚み10ナノメートル以下でも強結合を達成できることを見出した。また、結合強度が電磁場と分子の空間的重なりの度合いによって決まること、金属表面の鏡像電荷が結合強度を増大させることを明らかにした。以上の成果をThe Journal of Physical Chemistry Letters誌に発表した。

在这项研究中，我们提出了一种产生红外光与分子振动之间的相互作用显着增强的状态的方法，即“强键”，并通过数值计算和实验成功地证明了该原理。特别是，通过设计一种具有抑制辐射损耗的微型等离激元谐振器，我们实现了迄今为止报道的最小模式体积的强耦合。该结果对于提高振动光谱的灵敏度具有重要意义。红外光和分子振动之间的强耦合显着增强了光谱测量中的信号。例如，它将有助于对微通道中少量分子进行高灵敏度检测。这一结果的意义还在于它为控制化学反应提供了新的可能性。当分子振动与电磁场强烈相互作用时，势面的形状沿着目标分子振动模式的参考坐标发生变化，从而可以促进或抑制特定的化学反应。结果的详细内容如下所述。 1）高Q值等离激元谐振器：通过采用金属-分子膜-金属夹层结构，我们设计了一种高Q值的小型谐振器，可以限制目标分子。 2）真空拉比分裂的观察：在测量聚甲基丙烯酸甲酯树脂的CO伸缩振动模式的反射光谱时，我们发现了一种新的共振结构，其中谐振器与分子振动之间的共振被分裂（能量分裂量>100 cm- 1) 已确认。此外，我们通过微反射光谱证实这种强耦合是通过单个等离激元谐振器实现的。 3）纳米级谐振器带来的影响：从不同厚度谐振器的拉比分裂量来看，我们发现即使厚度为10纳米或更小，也可以实现强耦合。他们还发现，键合强度是由电磁场和分子之间的空间重叠程度决定的，金属表面的镜像电荷会增加键合强度。上述结果发表在《物理化学快报》杂志上。