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福斯特共振能量转移与等离子体纳米间隙中的局域光学态密度

Förster Resonance Energy Transfer and the Local Optical Density of States in Plasmonic Nanogaps.

作者信息

Hamza Abdullah O, Viscomi Francesco N, Bouillard Jean-Sebastien G, Adawi Ali M

机构信息

Department of Physics and Mathematics, University of Hull, Cottingham Road, HU6 7RX Hull, U.K.

G. W. Gray Centre for Advanced Materials, University of Hull, Cottingham Road, HU6 7RX Hull, U.K.

出版信息

J Phys Chem Lett. 2021 Feb 11;12(5):1507-1513. doi: 10.1021/acs.jpclett.0c03702. Epub 2021 Feb 3.

DOI:10.1021/acs.jpclett.0c03702
PMID:33534597
Abstract

Förster resonance energy transfer (FRET) is a fundamental phenomenon in photosynthesis and is of increasing importance for the development and enhancement of a wide range of optoelectronic devices, including color-tuning LEDs and lasers, light harvesting, sensing systems, and quantum computing. Despite its importance, fundamental questions remain unanswered on the FRET rate dependency on the local density of optical states (LDOS). In this work, we investigate this directly, both theoretically and experimentally, using 30 nm plasmonic nanogaps formed between a silver nanoparticle and an extended silver film, in which the LDOS can be controlled using the size of the silver nanoparticle. Experimentally, uranin-rhodamine 6G donor-acceptor pairs coupled to such nanogaps yielded FRET rate enhancements of 3.6 times. This, combined with a 5-fold enhancement in the emission rate of the acceptor, resulted in an overall 14-fold enhancement in the acceptor's emission intensity. By tuning the nanoparticle size, we also show that the FRET rate in those systems is linearly dependent on the LDOS, a result which is directly supported by our finite difference time domain (FDTD) calculations. Our results provide a simple but powerful method to control FRET rate via a direct LDOS modification.

摘要

Förster共振能量转移(FRET)是光合作用中的一种基本现象,对于包括颜色可调LED和激光器、光捕获、传感系统以及量子计算在内的广泛光电器件的开发和增强越来越重要。尽管其很重要,但关于FRET速率对光学态局部密度(LDOS)的依赖性的基本问题仍未得到解答。在这项工作中,我们使用银纳米颗粒与扩展银膜之间形成的30 nm等离子体纳米间隙,从理论和实验两方面直接对此进行了研究,其中可以通过银纳米颗粒的尺寸来控制LDOS。在实验中,与这种纳米间隙耦合的铀酰-罗丹明6G供体-受体对产生了3.6倍的FRET速率增强。这与受体发射速率提高5倍相结合,导致受体发射强度总体提高了14倍。通过调整纳米颗粒的尺寸,我们还表明这些系统中的FRET速率与LDOS呈线性相关,这一结果得到了我们的时域有限差分(FDTD)计算的直接支持。我们的结果提供了一种简单而强大的方法,可通过直接修改LDOS来控制FRET速率。

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