A coherent coupling between graphene plasmon and molecular vibration in strong coupling regime

Atomların veya moleküllerin enerji durumlarını manipüle etmek, spektroskopi, analitik kimya, atomik yapı analizi, görüntüleme, kimyasal ve biyolojik algılama gibi mikro-nanoteknolojinin pek çok alanında sınırsız bir potansiyel taşıdığı için büyük ilgi çekmektedir. Elektrik veya manyetik alan uyarımı, moleküler titreşim veya dönme uyarımı, kuantum tünelleme ve lazer uyarımı gibi çeşitli yöntemler, atomik veya moleküler enerji modülasyonu için kullanılmaktadır. Elektromanyetik dalgaların malzemelerle etkileşimi, bağlanma gücüne bağlı olarak, Fano rezonansı ve Purcell etkisi gibi zayıf veya kuvvetli bağlanma rejimlerine girebilir. Kuvvetli bağlanma rejiminde hibritleşmiş polaritonik durumların oluşumu, malzeme uyarımının enerji seviyelerini değiştirerek malzemelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini değiştirmek için yeni bir yol sunar. Polaritonik durumların oluşumu eksitonik geçişler için gösterilmişken, aynı fenomen moleküler titreşimlerde de gerçekleşebilir. Genellikle, iki paralel metal veya dielektrik aynanın bulunduğu bir Fabry-Pérot (FP) boşluğu, boşlukta yer alan malzemenin moleküler titreşimleri ile boşluk optik modunun etkileşimi yoluyla kuvvetli bağlanmayı indüklemek için kullanılır. Bununla birlikte, düzlemsel bir optik boşluk, polaritonik durumların izlenmesinde sınırlı bir mekansal çözünürlüğe sahiptir. Ayrıca, FP boşluğundaki kuvvetli bağlanma, FP boşluğundaki optik alanların mekansal olarak değişmesi nedeniyle bir topluluk ortalamasını temsil eder. FP boşluğunun bazı sınırlamalarını ele almak için, titreşimsel güçlü kuplajı (VSC) göstermek için yeni bir optik rezonatör olarak derin bir metal kafes kullandım. Öncelikle, derin metal kafesin optik özelliklerini simüle ettim ve yerelleştirilmiş yüzey plazmon rezonansları ile manyetik polaritonlar arasındaki hibridizasyonun güçlü orta kızılötesi optik rezonanslar üretmekten sorumlu olduğunu buldum. Tek katmanlı grafen kafese entegre edildiğinde, kafes rezonansları, ayrık grafen plazmon modları ile sürekli kafes rezonansları arasındaki zayıf kuplajın bir sonucu olarak Fano çizgi şekilleri gösterdi. Ek olarak, derin metal kafese bir moleküler soğurucu eklenerek, kafes yüksekliği ve genişlikleri ile grafene uygulanan kimyasal potansiyel dahil olmak üzere sistem parametrelerini değiştirerek polaritonik enerji durumlarında ayarlanabilirlikle VSC elde edildi. Simülasyonlara paralel olarak, kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle geniş bir çift katmanlı grafen alanı oluşturdum ve elektron demeti litografisi ve endüktif olarak eşlenmiş plazma aşındırma yöntemiyle derin metal kafes yapıları ürettim.