Strong coupling between 10- hydroxybenzo-[h]quinoline and microcavities

Abstract

Molekyylin ja valon vahvassa kytkennässä sähkömagneettinen säteily ja materia muodostavat uusia koherentteja hybriditiloja, joiden välistä energiaeroa sanotaan Rabi-energiaksi. Kytkennän tutkimus on synnyttänyt uuden Polaritonikemiaksi kutsutun alan, jossa käytetään hyväksi elektromagneettisten ja molekulaaristen oskillaattorien vahvaa kytkentää. Siinä pyritään vaikuttamaan kytkennällä molekyylien potentiaalienergiapintoihin ja sitä kautta niiden kemiallisiin reaktioihin. Tässä työssä tutkitaan 10-hydroksibentso- [h]quinoliini -molekyylin ja mikrokaviteettien kytkentää ja sen vaikutusta molekyylin virittyneen tilan sisäiseen protoninsiirtoreaktioon. Fabry-Pérot -tyyppiset mikrokaviteetit muokattiin toimimaan ultraviolettisäteilyn alueella käyttämällä peileinä höyrystettyjä alumiiniohutkalvoja ja substraattina kvartsia. Metallisten peilien väliin pinnoitettiin tutkittava molekyyli PMMA-polymeerimatriisiin sekoitettuna. Kaviteeteista ja filmeistä mitattiin transmissio, reflektio ja luminesenssi kulman ja aallonpituuden funktiona. Mikrokaviteetit saatiin toimimaan resonanssissa molekyylin absorptiomaksimin aallonpituudella 375 nm ja Q arvoksi tuli ohuimmilla peileillä 4,3 ja paksuimmilla 18,7. Rabi-energiat polaritonien välillä olivat nollasta 195 meV asti, mikä määritettiin transmission dispersiokäyristä. Molekyylifilmin luminesenssimittauksessa havaittiin fluoresenssia protoninsiirtoreaktion jälkeistä muotoa vastaavalta 610 nm aallonpituudelta sekä kaviteetissa että sen ulkopuolelta. Fluoresenssin intensiteetin kaviteetin sisältä havaittiin kasvavan kytkennän voimistuessa, vaikka viritetyn hybriditilan absorptio otettiin huomioon. Näyttö vahvasta kytkennästä tässä työssä oli suuntaa-antavaa, koska Rabi energiat eivät olleet selvästi siirtymien puoliarvonleveyksiä suurempia. Näytteistä havaittu fluoresenssi viittaisi siihen, että protoninsiirtoreaktio ei estynyt työssä saavutetun vahvan kytkennän seurauksena. Kuitenkin havaitun fluoresenssin vahvistuminen viittaisi energiansiirtoon, joka on entuudestaan tunnetun Purcell-efektin kaltainen, mutta tapahtuu kaviteetin tilatiheyden ulkopuolella.

Strong coupling between an optically active molecule and light leads to a hybridization of light and matter in a way that results in new coherent states that are separated by a Rabi split. This coupling has given rise to a new field called Polariton chemistry which exploits strong coupling between electromagnetic modes and molecular transitions in order to affect the chemistry of the molecule via modification of its potential energy surfaces. In this work the coupling between 10-hydroxybenzo-[h]quinoline and microcavities is explored and its effect on the molecule’s excited state intramolecular proton transfer reaction is studied. Fabry-Pérot type microcavities are adapted to work in the ultraviolet wavelengths by using aluminum mirrors evaporated on quartz substrates. The molecule is embedded in a PMMA matrix that is spin coated between the metallic mirrors. Transmission, reflection and luminescence measurements are performed to characterize the cavities and films. Microcavity samples with resonances at the molecule’s absorption maximum of 375 nm and Q factors between 4.3 and 18.7 depending on the mirror thickness were demonstrated. Couplings from 0 up to 195 meV between polariton branches are shown in the transmission dispersion. Luminescence measurement detects fluorescence of the proton transferred form of the molecule around 610 nm from film both with and without cavity. The intensity of the fluorescence is found to increase with stronger coupling compared to the absorption of the hybrid state. The evidence of strong coupling is found to be insufficient in this study as the Rabi splits are not large enough compared to the line widths of the peaks. The fluorescence of the molecule suggests that the reaction of the molecule is not suppressed. The enhancement of the fluorescence intensity suggests an energy transfer mechanism to the molecule that is different than the previously known Purcell effect.