К 90-летию Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН). Обзоры актуальных проблем
Оптика плазмон-экситонных наноструктур: теоретические модели и физические явления в системах металл/J-агрегат
В.С. Лебедев†,
А.Д. Кондорский‡ Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект 53, Москва, 119991, Российская Федерация
Обзор посвящён исследованию широкого круга оптических явлений, возникающих в результате ближнепольной связи экситонов с локализованными поверхностными плазмон-поляритонами в гибридных наноструктурах. Изложены современные физические подходы и теоретические модели описания спектров поглощения, рассеяния и экстинкции света, которые применимы для интерпретации физических эффектов в наносистемах, построенных на основе металлов и различных экситонных материалов, таких как молекулярные агрегаты органических красителей или неорганические квантоворазмерные полупроводниковые структуры. На примере гибридных наносистем, содержащих металлическое ядро и внешнюю J-агрегатную оболочку красителя, проведён теоретический анализ поведения оптических спектров в режимах слабой, сильной и ультрасильной плазмон-экситонной связи. Рассмотрены явления резонансов и антирезонансов при взаимодействии экситона с дипольными и мультипольными плазмонами, включая эффект глубокого провала в спектрах поглощения, а также эффект репликации спектральных полос плекситонных наночастиц и их димеров. Для двухслойных, трёхслойных и многослойных наночастиц обсуждается существенная роль размерно-зависимой диэлектрической проницаемости металлического ядра, анизотропии и хиральности экситонной J-агрегатной оболочки, а также промежуточного пассивного слоя в формировании оптических спектров гибридных наночастиц. Представленные экспериментальные и теоретические результаты для гибридных наносистем различной геометрической формы, размеров и состава расширяют существующие представления о физических явлениях, обусловленных плазмон-экситонной связью, и отражают современный статус исследований в оптике металлоорганических наноструктур.
Адреса для корреспонденции: †vlebedev@lebedev.ru и ‡kondorskiy@lebedev.ru Ключевые слова: нанофотоника, оптические спектры, взаимодействие света с веществом, плекситоника, плазмон-экситонное взаимодействие, гибридные наночастицы "ядро-оболочка", наноструктуры металл/J-агрегат, локализованные поверхностные плазмон-поляритоны, делокализованные экситоны Френкеля PACS:42.25.Bs, 71.35.−y, 78.67.−n (все) DOI:10.3367/UFNr.2024.08.039742 URL: https://ufn.ru/ru/articles/2025/1/e/ Цитата: Лебедев В С, Кондорский А Д "Оптика плазмон-экситонных наноструктур: теоретические модели и физические явления в системах металл/J-агрегат" УФН195 50–93 (2025)
Bohren C F, Huffman D R Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 1998); Пер. на русск. яз. 1-го изд., Борен К, Хафмен Д Поглощение и рассеяние света малыми частицами (М.: Мир, 1986)
Gaponenko S V Introduction to Nanophotonics (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2010)
Novotny L, Hecht B Principles of Nano-Optics (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2012); Пер. на русск. яз. 1-го изд., Новотный Л, Хехт Б Основы нанооптики (М.: Физматлит, 2011)
Давыдов А С Теория молекулярных экситонов (М.: Наука, 1968); Пер. на англ. яз., Davydov A S Theory of Molecular Excitons (New York: Plenum Press, 1971)
Kasha M Physical Processes Radiation Biology. Proc. of an Intern. Symp., Michigan State Univ., May 6-8, 1963 (Eds L Augenstein, R Mason, B Rosenberg) (New York: Academic Press, 1964) p. 17
Grynberg G, Aspect A, Fabre C Introduction to Quantum Optics: From the Semi-Classical Approach to Quantized Light (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2010)
Meystre P, Sargent M (III) Elements of Quantum Optics (Berlin: Springer, 2007)
Абрикосов А А, Горьков Л П, Дзялошинский И Е Методы квантовой теории поля в статистической физике (М.: Физматгиз, 1962); Пер. на англ. яз., Abrikosov A A, Gorkov L P, Dzyaloshinski I E Methods of Quantum Field Theory Statistical Physics (Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1963)
Campa A et al Physics of Long-Range Interacting Systems (Oxford: Oxford Univ. Press, 2014), Ch. 7
Stratton J A Electromagnetic Theory (Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2007); Пер. на русск. яз. 1-го изд., Стрэттон Дж А Теория электромагнетизма (М.-Л.: Гостехиздат, 1948)
Barber P W, Hill S C Light Scattering by Particles: Computational Methods(Advanced Ser. Applied Physics) Vol. 2 (Singapore: World Scientific, 1990)
Scaife B K P Principles of Dielectrics (Oxford: Oxford Univ. Press, 1998)
Ландау Л Д, Лифшиц Е М Квантовая механика: Нерелятивистская теория (М.: Наука, 1989); Пер. на англ. яз., Landau L D, Lifshitz E M Quantum Mechanics: Non-Relativistic Theory (Oxford: Pergamon Press, 1991)
Лам Н Т, Кондорский А Д, Лебедев В С Краткие сообщения по физике ФИАН (12) 34 (2019); Lam N T, Kondorskiy A D, Lebedev V S Bull. Lebedev Phys. Inst.46 390 (2019)