"Revealing the quantum regime in tunnelling plasmonics". K. J. Savage, M. M. Hawkeye, R. Esteban, A. G. Borisov, J. Aizpurua, J. J. Baumberg. In press. NATURE. DOI: 10.1038/nature11653
When two metal nanostructures are placed nanometres apart, their
optically driven free electrons couple electrically across the gap. The
resulting plasmons have enhanced optical fields of a specific colour
tightly confined inside the gap. Many emerging nanophotonic technologies
depend on the careful control of this plasmonic coupling, including
optical nanoantennas for high-sensitivity chemical and biological
sensors, nanoscale control of active devices, and improved photovoltaic devices.
But for subnanometre gaps, coherent quantum tunnelling becomes possible
and the system enters a regime of extreme non-locality in which
previous classical treatments fail. Electron correlations across the gap that are driven by quantum
tunnelling require a new description of non-local transport, which is
crucial in nanoscale optoelectronics and single-molecule electronics.
Here, by simultaneously measuring both the electrical and optical
properties of two gold nanostructures with controllable subnanometre
separation, we reveal the quantum regime of tunnelling plasmonics in
unprecedented detail. All observed phenomena are in good agreement with
recent quantum-based models of plasmonic systems,
which eliminate the singularities predicted by classical theories.
These findings imply that tunnelling establishes a quantum limit for
plasmonic field confinement of about 10−8λ3 for visible light (of wavelength λ).
Our work thus prompts new theoretical and experimental investigations
into quantum-domain plasmonic systems, and will affect the future of
nanoplasmonic device engineering and nanoscale photochemistry.
Cuando dos nanoestructuras metálicas se encuentran ubicadas algunos nanómetros aparte, sus electrones libres, controlados con luz, se acoplan eléctricamente a través de la separación. Los plasmones resultantes tienen campos ópticos incrementados de un color específico que están altamente confinados en la separación. Muchas de las tecnologías nanofotónicas emergentes dependen de un control cuidadoso de este acoplamiento plasmónico, incluyendo nanoantenas ópticas para sensores de alta sensibilidad química y biológica, control nanométrico de dispositivos activos, y dispositivos fotovoltaicos mejorados. Pero en el caso de separaciones subnanométricas, el efecto túnel cuántico coherente se vuelve posible, y el sistema entra en un régimen de extrema no localidad, en la cual los previos tratamientos clásicos fallan. Las correlaciones electrónicas a través de la separación que son controlados por efecto túnel cuántico requieren de una nueva descripción de transporte no local, la cual es crucial en optoelectrónica nanométrica y en electrónica de moléculas aisladas. Aquí, a partir de la medición simultánea de las propiedades ópticas y eléctricas de dos nanoestructuras de oro con una separación subnanométrica controlada, se muestra el régimen cuántico del efecto túnel plasmónico con un detalle sin precedentes. Todos los fenómenos observados son bien descritos por los modelos cuánticos recientes de sistemas plasmónicos, los cuales eliminan las singularidades predichas por las teorías clásicas. Estos resultados implican que el efecto túnel establece un límite cuántico para el confinamiento de campo plasmónico de cerca de 10−8λ3 para la luz visible (de longitud de onda λ). El trabajo resalta las nuevas investigaciones teóricas y experimentales en sistemas plasmónicos en el dominio de la cuántica, e influirá en la ingeniería futura de dispositivos nanoplasmónicos, así como en la fotoquímica nanométrica.
