金属ナノ粒子と金属表面間の古典的なプラズモニック結合から量子的なプラズモニック結合への遷移の位相イメージング

Phase imaging of transition from classical to quantum plasmonic couplings between a metal nanoparticle and a metal surface.

• Hui Wang
• Hui Yu
• Yan Wang
• Xiaonan Shan
• Hong-Yuan Chen
• Nongjian Tao

抄録

金属ナノ粒子を電子トンネル距離(∼1nm)以内の金属表面に近づけると、金属とナノ粒子の間の古典的な電磁結合が量子結合に転移すると期待されています。本研究では、金ナノ粒子の表面プラズモン共鳴(SPR)像において、この遷移が劇的な位相変化として観測されることを示した。ナノ粒子と電極表面の距離を制御することでこの遷移を研究し、遷移がSPR像に与える影響を位相シフトの観点からモデル化し、古典的な結合から量子的な結合への遷移に基づくmicroRNAの検出を実証しました。本研究は、量子結合がSPRで直接可視化できること、遷移の距離に対する極めて高感度な依存性がSPRを用いたバイオセンシング原理につながることを示している。

When a metal nanoparticle is brought near to a metal surface within electron tunneling distance (∼1 nm), classical electromagnetic coupling between the nanoparticle and the metal is expected to transition to quantum coupling. We show that this transition can be observed as a drastic phase change in the surface plasmon resonance (SPR) images of the gold nanoparticles. We study the transition by controlling the distance between the nanoparticles and electrode surface, modeling the impact of the transition on the SPR image in terms of a phase shift and demonstrating detection of microRNA based on the transition from classical to quantum coupling. The work shows that the quantum coupling can be directly visualized in SPR, and the extremely sensitive dependence of the transition on distance leads to a biosensing principle with SPR.