Resonant plasmonic nanoparticles for multicolor second harmonic imaging

Nanoparticles capable of efficiently generating nonlinear optical signals, like second harmonic generation, are attracting a lot of attention as potential background-free and stable nano-probes for biological imaging. However, second harmonic nanoparticles of different species do not produce readily distinguishable optical signals, as the excitation laser mainly defines their second harmonic spectrum. This is in marked contrast to other fluorescent nano-probes like quantum dots that emit light at different colors depending on their sizes and materials. Here, we present the use of resonant plasmonic nanoparticles, combined with broadband phase-controlled laser pulses, as tunable sources of multicolor second harmonic generation. The resonant plasmonic nanoparticles strongly interact with the electromagnetic field of the incident light, enhancing the efficiency of nonlinear optical processes. Because the plasmon resonance in these structures is spectrally narrower than the laser bandwidth, the plasmonic nanoparticles imprint their fingerprints on the second harmonic spectrum. We show how nanoparticles of different sizes produce different colors in the second harmonic spectra even when excited with the same laser pulse. Using these resonant plasmonic nanoparticles as nano-probes is promising for multicolor second harmonic imaging while keeping all the advantages of nonlinear optical microscopy.Peer ReviewedPostprint (published version

Strong antenna-enhanced fluorescence of a single light-harvesting complex shows photon antibunching

The nature of the highly efficient energy transfer in photosynthetic light-harvesting complexes is a subject of intense research. Unfortunately, the low fluorescence efficiency and limited photostability hampers the study of individual light-harvesting complexes at ambient conditions. Here we demonstrate an over 500-fold fluorescence enhancement of light-harvesting complex 2 (LH2) at the single-molecule level by coupling to a gold nanoantenna. The resonant antenna produces an excitation enhancement of circa 100 times and a fluorescence lifetime shortening to ~\n20 ps. The radiative rate enhancement results in a 5.5-fold-improved fluorescence quantum efficiency. Exploiting the unique brightness, we have recorded the first photon antibunching of a single light-harvesting complex under ambient conditions, showing that the 27 bacteriochlorophylls coordinated by LH2 act as a non-classical single-photon emitter. The presented bright antenna-enhanced LH2 emission is a highly promising system to study energy transfer and the role of quantum coherence at the level of single complexes

Excitation, Interaction, and Scattering of Localized and Propagating Surface Polaritons

Surface polaritons, i.e., collective oscillations of the surface charges, strongly influence the optical response at the micro- and nanoscale and have to be accounted for in modern nanotechnology. Within this thesis, certain basic phenomena involving surface polaritons are investigated by means of the semianalytical multiple-multipole (MMP) method. The results are compared to experiments. In the first part, the surface plasmon resonance (SPR) of metal nanoparticles is analyzed. This resonant collective oscillation of the free electrons in a metallic nanoparticle leads to an enhancement and confinement of the local electric field at optical frequencies. The local electric field can be further increased by tailoring the shape of the particle or by using near-field-interacting dimers or trimers of gold nanospheres. The hot spots found under such conditions increase the sensitivity of surface-enhanced Raman scattering by several orders of magnitude and simultaneously reduce the probed volume, thereby providing single-molecule sensitivity. The sub-wavelength-confined strong electromagnetic field associated with a SPR provides the basis for scattering-type near-field optical microscopy or tip-enhanced Raman spectroscopy, where the metal particle serves as a probe that is scanned laterally in the vicinity of a substrate. The presence of the latter causes a characteristic shift of the SPR towards lower frequencies. This effect originates in the near-field interaction of the surface charges on the objects. Furthermore, the excitation of higher-order modes becomes possible in case of an excitation by a strongly inhomogeneous wave, such as an evanescent wave. These modes may significantly contribute to the near field but have only very little influence on the far-field signature. Instead of using resonant probes, one may place a nonresonant probe in the vicinity of a substrate having a high density of electromagnetic surface states. This also produces a resonance of the light scattering by the system. Especially polar crystals, such as the investigated silicon carbide, feature such a high density of surface phonon polariton states in the mid-infrared spectral region, which can be excited due to the near-field interaction with a polarized particle. Thereby, a resonance is created leading to a strong increase of the electric field at the interface. In the second part of the thesis, special emphasis is put on surface plasmon polaritons (SPPs). Such propagating surface waves can be excited directly by plane waves only at patterned interfaces. This process is studied for the case of a groove. The groove breaks the translational invariance, so that the SPPs can be launched locally at the edges of the groove. Additionally, the mode(s) inside the groove are excited. These modes can basically be understood as metal-insulator-metal cavity modes. Their dispersion strongly depends on the groove width. The cavity behavior caused by the finite depth provides another degree of freedom for optimizing the SPP excitation by plane waves. Thin metallic films deposited on glass offer two different SPP waveguide modes, each of which can be addressed preferentially by a proper choice of the width of the groove. The reflection, transmission, scattering, and the conversion of the modes at discontinuities such as edges, steps, barriers, and grooves can be controlled by appropriately designing the geometry at the nanoscale. Furthermore, the excitation of SPPs at single and multiple slits in thin-film metal waveguides on glass and their propagation and scattering is shown by scanning near-field optical experiments. Such waveguide structures offer a means for transporting light in a confined way. Especially triangularly shaped waveguides can be used to guide light in sub-wavelength spaces.Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit subwellenlängenkleinen Teilchen bzw. Oberflächenstrukturen ermöglicht nicht nur eine Miniaturisierung optischer Geräte, sondern erlaubt sehr interessante Anwendungen, beispielsweise in der Sensorik und Nahfeldoptik. In der vorliegenden Arbeit werden die zu Grunde liegenden Effekte im Rahmen der klassischen Elektrodynamik mit Hilfe der semianalytischen Methode der multiplen Multipole (MMP) analysiert, und die Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen. Im ersten Teil werden Oberflächenplasmonenresonanzen (engl. surface plasmon resonance - SPR) einzelner und wechselwirkender Metallteilchen untersucht. Die dabei auftretende resonante kollektive Schwingung der freien Elektronen des Partikels bewirkt eine deutliche Erhöhung und Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes in seiner Umgebung. Die spektrale Position und die Stärke der SPR eines Nanoteilchens, die von dessen geometrischer Form, Permittivität und Umgebung abhängen, können nur im Grenzfall sehr kleiner Teilchen elektrostatisch beschrieben werden, wohingegen der verwendete semianalytische MMP-Ansatz weitaus flexibler ist und insbesondere auch auf größere Partikel, Teilchen mit komplizierterer Form bzw. Ensembles von Partikeln anwendbar ist. Die betrachteten einzelnen kleinen (< Wellenlänge) Goldkügelchen und Silberellipsoide besitzen eine stark ausgeprägte SPR im sichtbaren optischen Bereich. Diese ist auf eine dipolartige Polarisierung des Teilchens zurückzuführen. Höhere Moden der Polarisation können entweder als Folge von Retardierungseffekten an größeren (mit der Wellenlänge vergleichbaren) Teilchen oder bei der Verwendung inhomogener (z.B. evaneszenter) Wellen angeregt werden. Partikel, die sich in der Nähe eines Substrates befinden, unterliegen der Nahfeldwechselwirkung zwischen den (lichtinduzierten) Oberflächenladungen auf der Oberfläche des Teilchens und des Substrats. Dies führt zu einer Verschiebung der SPR zu niedrigeren Frequenzen und einer Erhöhung des lokalen elektrischen Feldes. Letzteres bildet die Grundlage z.B. der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie und der optischen Nahfeldmikroskopie mit Streulichtdetektion. Dasselbe Prinzip bewirkt ein stark überhöhtes elektrisches Feld zwischen miteinander wechselwirkenden Nanopartikeln, welches z.B. die Sensitivität der oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie um mehrere Größenordnungen steigern kann. Im Gegensatz zur SPR einzelner Nanopartikel kann die Resonanz der Lichtstreuung im Fall eines Partikels in der Nähe eines Substrats aus der durch die Nahfeldwechselwirkung induzierten Anregung elektromagnetischer Oberflächenzustände entstehen. Diese wirken ihrerseits auf das Nanopartikel zurück, wobei eine resonante Lichtstreuung beobachtbar ist. Dieser, am Beispiel einer metallischen Nahfeldsonde über einem Siliziumcarbid-Substrat analysierte, Effekt ermöglicht bei einer ganzen Klasse von polaren Kristallen interessante Anwendungen in der Mikroskopie und Sensorik basierend auf der hohen Dichte von Oberflächenphononpolaritonen dieser Kristalle im mittleren infraroten Spektralbereich und deren nahfeldinduzierten Anregung. Im zweiten Teil der Arbeit werden kollektive Anregungen von Elektronen an Metalloberflächen untersucht. Die dabei auftretenden plasmonischen Oberflächenwellen (engl. surface plasmon polaritons - SPPs) weisen einen exponentiellen Abfall der Intensität senkrecht zur Grenzfläche auf. Diese starke Lokalisierung der Energie an der Oberfläche bildet die Grundlage vieler Anwendungen, z.B. im Bereich der hochempfindlichen Detektion (bio)chemischer Verbindungen oder für eine zweidimensionale Optik (engl. plasmonics). Das Aufheben der Translationsinvarianz längs der Oberfläche ermöglicht die direkte Anregung von SPPs durch ebene Wellen. Die Abhängigkeit dieser Kopplung von der Geometrie wird am Beispiel eines Nanograbens untersucht. Dabei werden neben den SPPs ebenfalls eine oder mehrere Moden im Graben angeregt. Folglich ermöglicht die geeignete Wahl der Grabengeometrie die Optimierung der Umwandlung von ebenen Wellen in SPPs. Im - in der Praxis weit verbreiteten - Fall asymmetrisch eingebetteter metallischer Dünnschichtwellenleiter existieren zwei Moden. In Abhängigkeit von der Grabenbreite kann die eine oder die andere Mode bevorzugt angeregt werden. Die Analyse der Wechselwirkung von SPPs mit Oberflächenstrukturen, z.B. Kanten, Stufen, Barrieren und Gräben, zeigt die Möglichkeit der Steuerung der Reflexions-, Transmissions- und Abstrahleigenschaften durch die gezielte Wahl der Geometrie der "Oberflächendefekte" auf der Nanoskala und deckt die zu Grunde liegenden Mechanismen und die daraus resultierenden Anforderungen bei der Herstellung neuer plasmonischer Komponenten auf. Exemplarisch wird das Prinzip der SPP-Anregung an einzelnen und mehreren Gräben in dünnen metallischen Filmen sowie der subwellenlängen Feldlokalisierung an sich verjüngenden metallischen Dünnschichtwellenleitern unter Verwendung der optischen Nahfeldmikroskopie experimentell gezeigt

From large deviations to Wasserstein gradient flows in multiple dimensions

We study the large deviation rate functional for the empirical measure of independent Brownian particles with drift. In one dimension, it has been shown by Adams, Dirr, Peletier and Zimmer [ADPZ11] that this functional is asymptotically equivalent (in the sense of -convergence) to the JordanKinderlehrerOtto functional arising in the Wasserstein gradient flow structure of the FokkerPlanck equation. In higher dimensions, part of this statement (the lower bound) has been recently proved by Duong, Laschos and Renger, but the upper bound remained open, since the proof in [DLR13] relies on regularity properties of optimal transport maps that are restricted to one dimension. In this note we present a new proof of the upper bound, thereby generalising the result of [ADPZ11] to arbitrary dimensions

From large deviations to Wasserstein gradient flows in multiple dimensions

We study the large deviation rate functional for the empirical distribution of independent Brownian particles with drift. In one dimension, it has been shown by Adams, Dirr, Peletier and Zimmer [ADPZ11] that this functional is asymptotically equivalent (in the sense of Gamma-convergence) to the Jordan-Kinderlehrer-Otto functional arising in the Wasserstein gradient flow structure of the Fokker-Planck equation. In higher dimensions, part of this statement (the lower bound) has been recently proved by Duong, Laschos and Renger, but the upper bound remained open, since the proof in [DLR13] relies on regularity properties of optimal transport maps that are restricted to one dimension. In this note we present a new proof of the upper bound, thereby generalising the result of [ADPZ11] to arbitrary dimensions

On-chip interference of scattering from two individual molecules in plastic

Integrated photonic circuits offer a promising route for studying coherent cooperative effects of a controlled collection of quantum emitters. However, spectral inhomogeneities, decoherence and material incompatibilities in the solid state make this a nontrivial task. Here, we demonstrate efficient coupling of a pair of organic molecules embedded in a plastic film to a TiO$_2$ microdisc resonator on a glass chip. Moreover, we tune the resonance frequencies of the molecules with respect to that of the microresonator by employing nanofabricated electrodes. For two molecules separated by a distance of about 8$\,\mu$m and an optical phase difference of about $\pi/2$, we report on a large collective extinction of the incident light in the forward direction and the destructive interference of its scattering in the backward direction. Our work sets the ground for the coherent coupling of several molecules via a common mode and the realization of polymer-based hybrid quantum photonic circuits

Coherent coupling of single molecules to on-chip ring resonators

We report on cryogenic coupling of organic molecules to ring microresonators obtained by looping sub-wavelength waveguides (nanoguides). We discuss fabrication and characterization of the chip-based nanophotonic elements which yield resonator finesse in the order of 20 when covered by molecular crystals. Our observed extinction dips from single molecules reach 22%, consistent with the expected Purcell enhancements up to 11 folds. Future efforts will aim at efficient coupling of a handful of molecules via their interaction with a ring microresonator mode, setting the ground for the realization of quantum optical cooperative effects

Hidden progress: broadband plasmonic invisibility

The key challenge in current research into electromagnetic cloaking is to achieve invisibility over an extended bandwidth. There has been significant progress towards this using the idea of cloaking by sweeping under the carpet of Li and Pendry, with dielectric structures superposed on a mirror. Here, we show that we can harness surface plasmon polaritons at a metal surface structured with a dielectric material to obtain a unique control of their propagation. We exploit this to control plasmonic coupling and demonstrate both theoretically and experimentally cloaking over an unprecedented bandwidth (650-900 nm). Our non-resonant plasmonic metamaterial allows a curved reflector to mimic a flat mirror. Our theoretical predictions are validated by experiments mapping the surface light intensity at the wavelength 800 nm

Optically-programmable nonlinear photonic component for dielectric-loaded plasmonic circuitry

We demonstrate both experimentally and numerically a compact and efficient, optically tuneable plasmonic component utilizing a surface plasmon polariton ring resonator with nonlinearity based on trans-cis isomerization in a polymer material. We observe more than 3-fold change between high and low transmission states of the device at milliwatt control powers (?100 W/cm2 by intensity), with the performance limited by switching speed of the material. Such plasmonic components can be employed in optically programmable and reconfigurable integrated photonic circuitry

Mangelnde Datenverfügbarkeit als Hemmnis für passgenaue Optimierung der Proteinversorgung von Monogastriern

Die Beratung zur Optimierung der Proteinversorgung von Schweinen und Geflügel benötigt umfassende betriebliche Daten. In einer Studie mit 56 ökologisch wirtschaftenden Betrieben ergab sich für viele Betriebe Verbesserungspotential hinsichtlich der bedarfsgerechten Fütterung und effizienten Nutzung von Nährstoffen. Die heterogenen Betriebsbedingungen lassen keine verallgemeinerten Empfehlungen zu sondern erfordern betriebsspezifische Strategien auf der Grundlage belastbarer Daten, um mögliche Synergieeffekte und Potentiale einer verbesserten Wertschöpfung erschließen zu können. Folglich sind Mängel in der Dokumentation und Datenaufzeichnung ein erhebliches Hemmnis in der Entwicklung betriebsspezifischer Optimierungsstrategien