Preview

Российские нанотехнологии

Расширенный поиск

ГИБРИДНЫЕ СОСТОЯНИЯ БИОМОЛЕКУЛ В РЕЖИМЕ СИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Полный текст:

Аннотация

Сильная связь экситонного и фотонного состояний является результатом обратимого обмена энергией между возбужденным состоянием атомарных экситонных систем или молекул и электромагнитным полем. Этот процесс приводит к образованию гибридных (смешанных) состояний «свет–вещество», имеющих энергии, отличные от энергий экситона и фотона. В настоящее время большой интерес вызывает реализация гибридных состояний в режиме сильной связи с целью разработки новых излучательных систем, квантово-информационных технологий, управления эффективностью химических реакций, направленного воздействия на биологические системы, а также использования наблюдаемых эффектов в медицине, микроэлектронике, робототехнике и других областях. В обзоре рассмотрена модель сильного взаимодействия света и вещества, его характеристики, способы практической реализации гибридных состояний, включая биологические системы, а также параметры, влияющие на образование сильных связей. Приведены последние достижения в области применений эффекта сильной связи, перспективы его использования и проблемы, возникающие при реализации.

Об авторах

А. В. Космынцева
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ (Московский инженерно-физический институт
Россия


И. Р. Набиев
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ (Московский инженерно-физический институт; Лаборатория по исследованиям в области нанонаук, ЛРН-ЕА4682, Университет г. Реймса, Шампань-Арденн, 51 рю Коньяк Джей, 51100 Реймс, Франция
Россия


Ю. П. Ракович
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ (Московский инженерно-физический институт; Центр физики материалов и Университет Страны Басков, пер. Мануэла де Лардизабала, 20018 Доностия — Сан-Себастьян, Испания
Россия


Список литературы

1. Novotny L. Strong coupling, energy splitting, and level crossings: a classical perspective // Am. J. Phys. 2010. V. 78. № 11. 1199–1202.

2. Magalhães B.A.R., Fonseca A.C.H., Nemes M.C. Classical and quantum coupled oscillators: symplectic structure // Phys. Scr. 2006. V. 74. № 4. 472–480.

3. Haroche S. Fundamental systems in quantum optics // Amster-dam: North Holland. 1992. chapter 13. 767–940.

4. Bellessa J., Bonnand C., Plenet J.C., Mugnier J. Strong coupling between surface plasmons and excitons in an organic semiconductor // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. № 3. 036404–036408.

5. Haroche S. in: Fundamental systems in quantum optics. edited by Dalibard J., Raimond J., Zinn-Justin J. Elsevier. New York. 1992. V. 53. 767.

6. Ораевский А.Н. Спонтанное излучение в резонаторе // УФН. 1994. Т. 164. № 4. 415–427.

7. Purcell E.M. Spontaneous emission probabilities at radio frequencies // Phys. Rev. 1946. V. 69. 681–681.

8. Ivchenko E.L. Excitonic polaritons in periodic quantum well structures // Sov. Phys. — Sol. State. 1991. V. 33. № 8. 1344– 1346.

9. Tassone F., Bassani F., Andreani L.C. Quantum well reflectivity and exciton-polariton dispersion // Phys. Rev. B. 1992. V. 45. № 11. 6023–6030.

10. Kavokin A., Malpuech G. Cavity polaritons // Elsevier. Amster-dam. 2003. V. 32.

11. Skolnick M.S., Fisher T.A., Whittaker D.M. Topical review: strong coupling phenomena in quantum microcavity structures // Semicond. Sci. Technol. 1998. V. 13. № 7. 645–669.

12. Weisbuch C., Nishioka M., Ishikawa A., Arakawa Y. Observation of coupled exciton-photon mode splitting in a semiconductor quantum microcavity // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 69. № 23. 3314–3317.

13. Houdre R., Weisbuch C., Stanley R.P., Oesterle U., Pellandini P., Ilegems M. Measurement of cavity-polariton dispersion curve from angle-resolved photoluminescence experiments // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. № 15. 2043–2047.

14. Кочерешко В.П., Авдошина Д.В., Savvidis P., Tsintzos S.I., Hatzopoulos Z., Kavokin A.V., Besombes L., Ma-riette H. Конденсация экситонных поляритонов в микрорезонаторах, индуцированная магнитным полем // ФТП. 2016. Т. 50. № 11. 1527–1531.

15. Shalabney A., George J., Hiura H., Hutchison J.A., Genet C., Hellwig P., Ebbesen T.W. Enhanced Raman scattering from vibro-polariton hybrid states // Angew. Chem. Int. 2015. V. 54. № 27. 7971 –7975.

16. Сайко А.П., Федорук Г.Г., Маркевич С.А. Замедление скорости затухания осцилляций Раби искусственных атомов при нерезонансном возбуждении // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98. № 4. 228–230.

17. Gusev A.I., Rempel A.A. Nanocrystalline materials // CISP. 2004. 351.

18. Петрович В.А., Волчёк С.А., Бондаренко А.В. Формирование металлических квантовых точек на кремнии методом электрохимической кристаллизации // Сборник докладов ФТТ. 2005. 371–372.

19. Correa N.M., Zhang H., Schelly Z.A. Preparation of AgBr quantum dots via electroporation of vesicles // J. Amer. Chem. Soc. 2000. V. 122. № 27. 6432–6434.

20. Днепровский В.С. Экситоны перестают быть экзотическими квазичастицами // СОЖ. 2000. Т. 6. № 8. 88–92.

21. Skolnick M.S., Whittaker D.M., Baxter D., Tribe W.R., Baum-berg J.J., Astratov V.N., Stevenson R.M., Armitage A., Mowbray D.J., Roberts J.S. Exciton polaritons in semiconductor micro-cavities // Proc. 24th Int. Conf. Phys. Semicond. Ed. by Gershoni D. Jerusalem. 1998. 25.

22. Vahala K.J. Optical microcavities // Nature. 2003. V. 424. № 6950. 839–846.

23. Sandoghdar V., Agio M., Chen X., Götzinger S., Lee K., Antennas, quantum optics and near-field microscopy // CUP. 2013. 100–121.

24. Schasfoort R.B.M., Tudos A.J. Handbook of surface plasmon resonance // RSC. 2008. 403.

25. Barrow S.J., Funston A.M., Gomez D.E., Davis T.J., Mulvaney P. Surface plasmon resonances in strongly coupled gold nano-sphere chains from monomer to hexamer // Nano Lett. 2011. V. 11. № 10. 4180–4187.

26. Сотников Д.В., Жердев А.В., Дзантиев Б.Б. Детекция межмолекулярных взаимодействий, основанная на регистрации поверхностного плазмонного резонанса // Успехи биол. химии. 2015. Т. 55. 391–420.

27. Lakowicz J.R. Plasmonics in biology and plasmon-controlled fluorescence // Plasmonics. 2006. V. 1. № 1. 5–33.

28. Homola J. Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species // Chem. Rev. 2008. V. 108. № 2. 462–493.

29. Tokel, O., Inci F., Demirci U. Advances in plasmonic technologies for point of care applications // Chem. Rev. 2014. V. 114. № 11. 5728−5752.

30. Mayer K.M., Hafner J.H. Localized surface plasmon resonance sensors // Chem. Rev. 2011. V. 111. № 6. 3828–3857.

31. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами // М.: Мир. 1986. 664.

32. Kreibig U., Vollmer M. Optical properties of metal clusters // Berlin: Springer. 1995. 535.

33. Creighton J.A., Eadon D.G. Ultraviolet-visible absorption spectra of the colloidal metallic elements // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1991. V. 87. №. 24. 2881–3891.

34. Ashcroſt N.W., Mermin N.D. Solid State Physics // Philadelphia: Saunders College, 1976. 826.

35. Würthner F., Kaiser T.E., Saha-Möller C.R. J-aggregates: from serendipitous discovery to supramolecular // Angew. Chem. Int. Ed. 2011. V. 50. № 15. 3376–3410.

36. Melnikau D., Esteban R., Savateeva D., Sánchez-Iglesias A., Gr-zelczak M., Schmidt M.K., Liz-Marzán L.M., Aizpurua J., Rakovich Y.P. Rabi splitting in photoluminescence spectra of hybrid systems of gold nanorods and J-aggregates // J. Phys. Chem. Lett. 2016. V. 7. № 2. 354−362.

37. Simon T., Melnikau D., Sánchez-Iglesias A., Grzelczak M., Liz-Marzán L.M., Rakovich Y.P., Feldmann J., Urban A.S. Exploring the optical nonlinearities of plasmon-exciton hybryd resonances in coupled colloidal nanostructures // J. Phys. Chem. C. 2016. V. 120. № 22. 12226–12233.

38. Gómez D.E., Lo S.S., Davis T.J., Hartland G.V. Picosecond kinetics of strongly coupled excitons and surface plasmon polaritons // J. Phys. Chem. B. 2013. V. 117. № 16. 4340−4346.

39. Gómez D.E., Vernon K.C., Mulvaney P., Davis T.J. Surface plasmon mediated strong exciton-photon coupling in semiconductor nanocrystals // Nano Lett. 2010. V. 10. № 1. 274–278.

40. Wang H., Wang H., Toma A., Yano T., Chen Q., Xu H., Sun H., Zaccaria R.P. Dynamics of strong coupling between CdSe quantum dots and surface plasmon polaritons in subwavelength hole array // J. Phys. Chem. Lett. 2016. V. 7. № 22. 4648−4654.

41. Zhou N., Yuan M., Gao Y., Li D., Yang D. Silver nanoshell plasmonically controlled emission of semiconductor quantum dots in the strong coupling regime // ACS Nano. 2016. V. 10. № 4. 4154−4163.

42. Caruso F., Saikin S.K., Solano E., Huelga S.F., Aspuru-Guzik A., Plenio M.B. Probing biological light-harvesting phenomena by optical cavities // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. № 12. 125424– 125434.

43. Carmeli I., Lieberman I., Kraversky L., Fan Z., Govorov A.O., Markovich G., Richter S. Broad band enhancement of light absorption in photosystem i by metal nanoparticle antennas // Nano Lett. 2010. № 10. 2069–2074.

44. Rothemund P.W.K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns // Nature. 2006. V. 440. 297–302.

45. Roller E., Argyropoulos C., Högele A., Liedl T., Pilo-Pais M. Plasmon-exciton coupling using DNA templates // Nano Lett. 2016. № 16. 5962−5966.

46. Kershner R.J., Bozano L.D., Micheel C.M., Hung A.M., Fornof A.R., Cha J.N., Rettner C.T., Bersani M., Frommer J., Rothemund P.W.K., Wallraff G.M. Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces // Nat. Nanotechnol. 2009. V. 4. 557–561.

47. Jiang Q., Song C., Nangreave J., Liu X., Lin L., Qiu D., Wang Z-G., Zou G., Liang X., Yan H., Ding B. DNA origami as a carrier for circumvention of drug resistance // JACS. 2012. V. 134. № 32. 13396–13403.

48. Zhao Y., Shaw A., Zeng X., Benson E., Nyström A.M., Högberg B. DNA origami delivery system for cancer therapy with tunable release properties // ACS Nano. 2012. V. 6. № 10. 8684–8691.

49. Andersen E.S., Dong M., Nielsen M.M., Jahn K., Subramani R., Mamdouh W., Kjems J. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid // Nature. 2009. V. 459. 73–76.

50. Coles D.M., Yang Y., Wang Y., Grant R.T., Taylor R.A., Saikin S.K., Aspuru-Guzik A., Lidzey D.G., Tang J.K., Smith J.M. Strong coupling between chlorosomes of photosynthetic bacteria and a confined optical cavity mode // Nat. Commun. 2014. V. 5. 5561–5569.

51. Dietrich C.P., Steude A., Tropf L., Schubert M., Kronenberg N.M., Ostermann K., Höfling S., Gather M.C. An exciton-polariton laser based on biologically produced fluorescent protein // Sci. Adv. 2016. V. 2. № 8. e1600666–e1600673.

52. Chalfie M., Tu Y., Euskirchen G., Ward W.W., Prasher D.C. Green fluorescent protein as a marker for gene expression // Science. 1994. V. 263. № 5148. 802–805.

53. Christopoulos S., von Högersthal G.B.H., Grundy A.J.D., La-goudakis P.G., Kavokin A.V., Baumberg J.J., Christmann G., Butté R., Feltin E., Carlin J., Grandjean N. Room-temperature polariton lasing in semiconductor microcavities // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. № 12. 126405–126409.

54. Vergauwe R., George J., Chervy T., Hutchison J.A., Shalabney A., Torbeev V.Y., Ebbesen T.W. Quantum strong coupling with protein vibrational modes // J. Phys. Chem. Lett. 2016. V. 7. № 20. 4159–4164.

55. Ebbesen T.W. Hybrid light-matter states in a molecular and material science perspective // Acc. Chem. Res. 2016. V. 49. № 11. 2403–2412.

56. Thomas A., George J., Shalabney A., Dryzhakov M., Varma S.J., Moran J., Chervy T., Zhong X., Devaux E., Genet C., Hutchison J.A., Ebbesen T.W. Ground-state chemical reactivity under vibrational strong coupling to the vacuum electromagnetic field // Angew. Chem. 2016. V. 128. № 38. 11634–11638.

57. Hutchison J.A., Genet C., Ebbesen T.W., Samori P., Orgiu E., George J., Stellacci F., Method and device to modify the electrical properties of an organic and/or molecular material // US Patent App. 2016. US20160154258 A1.

58. George J., Shalabney A., Hutchison J.A., Genet C., Ebbesen T.W. Liquid-phase vibrational strong coupling // J. Phys. Chem. Lett. 2015. V. 6. № 6. 1027−1031.

59. Schachenmayer J., Genes C., Tignone E., Pupillo G. Cavity-enhanced transport of excitons // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. № 19. 196403–196413.

60. Feist J., Garcia-Vidal F.J. Extraordinary exciton conductance induced by strong coupling // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. № 19. 196402–196407.


Просмотров: 205


ISSN 1992-7223 (Print)