Decay of dark and bright plasmonic modes in a metallic nanoparticle dimer

We develop a general quantum theory of the coupled plasmonic modes resulting from the near-field interaction between localized surface plasmons in a heterogeneous metallic nanoparticle dimer. In particular, we provide analytical expressions for the frequencies and decay rates of the bright and dark plasmonic modes. We show that, for sufficiently small nanoparticles, the main decay channel for the dark plasmonic mode, which is weakly coupled to light and, hence, immune to radiation damping, is of nonradiative origin and corresponds to Landau damping, i.e., decay into electron-hole pairs.Comment: 9 pages, 3 figures; published versio

Nonradiative limitations to plasmon propagation in chains of metallic nanoparticles

We investigate the collective plasmonic modes in a chain of metallic nanoparticles that are coupled by near-field interactions. The size- and momentum-dependent nonradiative Landau damping and radiative decay rates are calculated analytically within an open quantum system approach. These decay rates determine the excitation propagation along the chain. In particular, the behavior of the radiative decay rate as a function of the plasmon wavelength leads to a transition from an exponential decay of the collective excitation for short distances to an algebraic decay for large distances. Importantly, we show that the exponential decay is of a purely nonradiative origin. Our transparent model enables us to provide analytical expressions for the polarization-dependent plasmon excitation profile along the chain and for the associated propagation length. Our theoretical analysis constitutes an important step in the quest for the optimal conditions for plasmonic propagation in nanoparticle chains.Comment: 14 pages, 6 figures; v2: published versio

Amortissement des excitations plasmoniques dans des assemblages unidimensionnels de nanoparticules métalliques

We studied the electron dynamics in metallic nanoparticle arrays. We first considered the simplestarray i.e. a nanoparticle dimer. We found the eigenfrequencies of the heterogeneous dimer andthen we applied the open quantum system approach to describe the decay processes present inthe system. We investigated two decay processes which depend on the size of the nanoparticlesbuilding up the dimer : the Landau damping, inversly proportional to the system-size, and radiationdamping, proportional to the volume of the system. Using the results of the dimer study weextended our open quantum system approach to study one-dimensional nanoparticle chains. Wederived a master equation and used it to investigate the propagation of plasmons along the chain.We found that the propagation of the plasmon is limited by the non-radiative sources of damping.Finally we derived an analytical expression for the propagation length of a plasmon in ananoparticle chain.Nous avons étudié la dynamique des électrons dans des réseaux de nanoparticules métalliques. Nous avons d'abord considéré le réseau le plus simple, c'est-à-dire le dimère de nanoparticules. Nous avons trouvé des fréquences propres du dimère hétérogène et ensuite nous avons appliqué l'approche du système quantique ouvert pour décrire les processus d’amortissement présents dans le système. Nous avons étudié deux processus d’amortissement qui dépendent de la taille des nanoparticules constituant le dimère: l'amortissement de Landau avec une proportionnalité inverse à la taille du système, et l’amortissement radiatif, proportionnel au volume du système. En utilisant les résultats de l'étude des dimères, nous avons étendu notre approche du système quantique ouvert pour étudier des chaînes de nanoparticules unidimensionnelles. Nous avons dérivé une équation maîtresse qui a été utilisée pour étudier la propagation des plasmons le long de la chaîne. Nous avons constaté que la propagation du plasmon est limitée que par les sources non radiatives d'amortissement. Enfin, nous avons dérivé l'expression analytique de la longueur de propagation d'un plasmon dans une chaîne de nanoparticules

Amortissement des excitations plasmoniques dans des assemblages unidimensionnels de nanoparticules métalliques

Nous avons étudié la dynamique des électrons dans des réseaux de nanoparticules métalliques. Nous avons d'abord considéré le réseau le plus simple, c'est-à-dire le dimère de nanoparticules. Nous avons trouvé des fréquences propres du dimère hétérogène et ensuite nous avons appliqué l'approche du système quantique ouvert pour décrire les processus d’amortissement présents dans le système. Nous avons étudié deux processus d’amortissement qui dépendent de la taille des nanoparticules constituant le dimère: l'amortissement de Landau avec une proportionnalité inverse à la taille du système, et l’amortissement radiatif, proportionnel au volume du système. En utilisant les résultats de l'étude des dimères, nous avons étendu notre approche du système quantique ouvert pour étudier des chaînes de nanoparticules unidimensionnelles. Nous avons dérivé une équation maîtresse qui a été utilisée pour étudier la propagation des plasmons le long de la chaîne. Nous avons constaté que la propagation du plasmon est limitée que par les sources non radiatives d'amortissement. Enfin, nous avons dérivé l'expression analytique de la longueur de propagation d'un plasmon dans une chaîne de nanoparticules.We studied the electron dynamics in metallic nanoparticle arrays. We first considered the simplestarray i.e. a nanoparticle dimer. We found the eigenfrequencies of the heterogeneous dimer andthen we applied the open quantum system approach to describe the decay processes present inthe system. We investigated two decay processes which depend on the size of the nanoparticlesbuilding up the dimer : the Landau damping, inversly proportional to the system-size, and radiationdamping, proportional to the volume of the system. Using the results of the dimer study weextended our open quantum system approach to study one-dimensional nanoparticle chains. Wederived a master equation and used it to investigate the propagation of plasmons along the chain.We found that the propagation of the plasmon is limited by the non-radiative sources of damping.Finally we derived an analytical expression for the propagation length of a plasmon in ananoparticle chain