Beobachtung des Quanten-Tunnelns zwischen zwei plasmonischen Nanopartikeln

Die Plasmonresonanzen zweier eng beieinander liegender metallischer Partikel haben Anwendungen wie Einzelmolekül-Sensorik und Spektroskopie, neuartige Nanoantennen, molekulare Maßstäbe und nichtlineare optische Geräte ermöglicht. Im Kontext der klassischen Elektrodynamik nimmt die Stärke solcher Dimer-Plasmonresonanzen monoton zu, wenn die Partikelabstandgröße abnimmt. Im Gegensatz dazu sagt ein quantenmechanischer Rahmen voraus, dass das Elektronentunneln die Dimer-Plasmonstärke bei subnanometer-großen Abständen stark verringern wird. Hier beobachten wir direkt die Plasmonresonanzen von gekoppelten metallischen Nanopartikeln, während ihre Abstandgröße auf atomare Dimensionen reduziert wird. Mit dem Elektronenstrahl eines Rasterübertragungs-Elektronenmikroskops (STEM) manipulieren wir Paare von ~10-nm-durchmessenden sphärischen Silbernanopartikeln auf einem Substrat und kontrollieren deren Konvergenz und letztliche Verschmelzung zu einer einzelnen Nanosphäre. Gleichzeitig setzen wir die Elektronenenergiedispersions-Spektroskopie (EELS) ein, um die dynamischen plasmonischen Eigenschaften dieser Dimer vor und nach dem Partikelkontakt zu beobachten. Wenn die Abstände von 7 nm verringert werden, zeigt der dominierende dipolare Peak eine Rotverschiebung, die mit den klassischen Berechnungen übereinstimmt. Abstände kleiner als ~0,5 nm führen jedoch dazu, dass dieser Modus eine reduzierte Intensität zeigt, die mit quantenmechanischen Theorien übereinstimmt, die das Elektronentunneln einbeziehen. Wenn die Partikel überlappen, verschwindet der bindende dipolare Modus und wird durch einen dipolaren Ladungstransfer-Modus ersetzt. Unser dynamisches Bildgebungsverfahren, Manipulation und Spektroskopie von Nanostrukturen ermöglicht die erste vollständige spektrale Kartierung der Dimer-Plasmon-Evolution und könnte neue Wege für die in situ Nanoassemblierung und Analyse im quantenmechanischen Bereich eröffnen.