CAREER: Light-matter interactions at the single emitter level: Precise control of plasmon-exciton coupling

职业:单发射器水平的光与物质相互作用:等离激元-激子耦合的精确控制

基本信息

  • 批准号:
    1945035
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 53.59万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-05-01 至 2025-04-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

When light interacts with matter, its properties – color and energy, for example – can be drastically modified. New techniques for manipulating light will enable better solutions to some of today’s biggest challenges, from maximizing efficiency in transforming sunlight into electricity to building faster computers. This project aims to control light at the quantum limit—one particle of light (or photon) at a time—using nanometer-scale metal structures. However, many questions remain about how such nanometer-scale structures affect individual photons. Thus, the first goal of this project is to develop new microscopy methods that will permit the study of light-matter interactions near these metal structures with unprecedented resolution. With this newfound understanding, the second goal is to use the nano-particles to construct the first step towards a quantum computer, which promises an explosion of power and speed in the computers of the future. This project also has broad goals to create space for all students to thrive, regardless of gender, race, and socioeconomic background. This will be achieved, in part, by expanding the scope of the Rensselaer Women in Physics group’s outreach activities to the local elementary and middle schools, and by incorporating diversity education into the physics curriculum. The potential of quantum information science is fueling demand for the design and generation of new qubits and devices, such as transistors, operating at the single-particle level. Localized surface plasmon resonances in metal nano-particles offer the ability to confine the electromagnetic field to scales well below the diffraction limit of light, and promise the possibility of integratable devices operating at the quantum level. In particular, these plasmon resonances can strongly couple with molecular or semiconductor excitons to form new hybridized states. These states can be used to develop single-photon transistors and other building blocks of a functioning quantum circuit. However, several roadblocks have up to now limited plasmons’ practical use. Indeed, although plasmonic modes present the advantage of coupling very strongly to matter, the very small mode volume in plasmonic cavities makes it difficult to get good spatial overlap with single emitters such as quantum dots. This research project proposes to design, develop, and characterize new methods for the fundamental investigation and precise control of the coupling between single quantum emitters and plasmonic nano-cavities. The research objectives include: (1) Developing a new tool to experimentally measure the local density of states using single-molecule super-resolution microscopy, and to understand light-matter interactions in the vicinity of plasmonic nano-structures, beyond what can be learned from simulations of the structure design; (2) Achieving reproducible and controllable coupling between individual quantum emitters and a plasmonic nano-cavity using plasmonic optical trapping; (3) Studying the transition from weak to strong coupling regime in real time and using the strongly coupled system to demonstrate single photon blockade.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
当光与物质相互作用时,它的性质--例如颜色和能量--可以被极大地改变。操纵光的新技术将使人们能够更好地解决当今一些最大的挑战,从最大限度地将阳光转化为电能的效率,到建造速度更快的计算机。该项目的目标是使用纳米级的金属结构将光控制在量子极限--一次一个光粒子(或光子)。然而,关于这种纳米级结构如何影响单个光子,仍然存在许多问题。因此,该项目的第一个目标是开发新的显微镜方法,以前所未有的分辨率研究这些金属结构附近的光-物质相互作用。有了这种新的理解,第二个目标是利用纳米粒子构建迈向量子计算机的第一步,量子计算机有望在未来的计算机中实现能力和速度的爆炸性增长。该项目也有广泛的目标,为所有学生创造茁壮成长的空间,不分性别、种族和社会经济背景。实现这一目标的部分方法是,将伦斯勒妇女物理小组的外展活动范围扩大到当地的中小学,并将多样性教育纳入物理课程。量子信息科学的潜力正在推动人们对设计和生成新的量子比特和器件的需求,比如晶体管,它们在单粒子水平上运行。金属纳米粒子中的局域表面等离子体共振提供了将电磁场限制在远低于光的衍射极限的能力,并为在量子水平上工作的可集成器件提供了可能性。特别是,这些等离子体共振可以与分子或半导体激子强烈耦合,形成新的杂化态。这些状态可以用来开发单光子晶体管和其他功能量子电路的构件。然而,到目前为止,有几个障碍限制了等离子激元的实际应用。事实上,尽管等离子体模表现出与物质强耦合的优势,但等离子体腔中非常小的模体积使得它很难与量子点等单一发射体获得良好的空间重叠。这项研究计划设计、开发和表征新的方法,用于单量子发射体和等离子体纳米腔之间的耦合的基础研究和精确控制。研究目标包括:(1)开发一种新的工具,利用单分子超分辨显微镜实验测量局域态密度,并了解等离子体纳米结构附近的光-物质相互作用,这超出了结构设计的模拟所能了解的范围:(2)利用等离子体光学陷阱实现单个量子发射体与等离子体纳米腔之间可重复且可控的耦合;(3)实时研究从弱耦合到强耦合的转变,并使用强耦合系统演示单光子阻挡。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Super‐Resolution Lifetime Imaging of Single Molecules Near Gold Bowtie Nanoparticles
金领结纳米粒子附近单分子的超分辨率寿命成像
  • DOI:
    10.1002/adom.202200480
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Hallenbeck, Zachary;Wertz, Esther A.
  • 通讯作者:
    Wertz, Esther A.
Tracking the Coupling of Single Emitters to Plasmonic Nanoantennas with Single-Molecule Super-Resolution Imaging
  • DOI:
    10.1021/acsphotonics.1c00063
  • 发表时间:
    2020-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Nathan Kimmitt;E. Wertz
  • 通讯作者:
    Nathan Kimmitt;E. Wertz
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