Nonlinear Emission of Molecular Ensembles Strongly Coupled to Plasmonic Lattices with Structural Imperfections

极化子 等离子体子 激子 激光阈值 激子极化 物理 光子学 凝聚态物理 分子物理学 等离子纳米粒子 材料科学 激光器 光电子学 光学
作者
Mohammad Ramezani,Quynh Le‐Van,Alexei Halpin,Jaime Gómez Rivas
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:121 (24): 243904-243904 被引量:38
标识
DOI:10.1103/physrevlett.121.243904
摘要

We demonstrate nonlinear emission from molecular layers strongly coupled to extended light fields in arrays of plasmonic nanoparticles in the presence of structural imperfections. Hybrid light-matter states, known as plasmon-exciton polaritons (PEPs), are formed by the strong coupling of Frenkel excitons in molecules to surface lattice resonances. These resonances result from the radiative coupling of localized surface plasmon polaritons in silver nanoparticles enhanced by diffraction on the array. By designing arrays with different lattice constants, we show that the nonlinear emission frequency is solely determined by the relaxation of exciton polaritons through vibrational quanta in the molecules. We also observe long-range spatial coherence in the samples, which supports the explanation in terms of a nonlinear collective emission of strongly coupled PEPs. In contrast to recent observations of exciton-polariton lasing and condensation in organic systems, photonic modes play a minor role at the emission frequency in our system, and this emission has an undefined momentum because of the structural imperfections. This remarkable result reveals the rich and distinct physics of strongly coupled organic molecules to photonic cavities.
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