Surface plasmons supported by metallic nanostructures interact strongly with light and confine it into subwavelength volumes, thus forcing the corresponding electric field to vary within nanoscale distances. This results in exceedingly large field gradients that can be exploited to enhance the quadrupolar transitions of quantum emitters located in the vicinity of the nanostructure. Graphene nanostructures are ideally suited for this task, since their plasmons can confine light into substantially smaller volumes than equivalent excitations sustained by conventional plasmonic nanostructures. Furthermore, in addition to their geometric tunability, graphene plasmons can also be efficiently tuned by controlling the doping level of the nanostructure, which can be accomplished either chemically or electrostatically. Here, we provide a detailed investigation of the enhancement of the field gradient in the vicinity of different graphene nanostructures. Using rigorous solutions of Maxwell’s equations, as well as an analytic electrostatic approach, we analyze how this quantity is affected by the size, shape, doping level, and quality of the nanostructure. We investigate, as well, the performance of arrays of nanoribbons, which constitute a suitable platform for the experimental verification of our predictions. The results of this work bring new possibilities to enhance and control quadrupolar transitions of quantum emitters, which can find application in the detection of relevant chemical species, as well as in the design of novel light-emitting devices.

中文翻译：

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使用纳米结构石墨烯非凡增强四极转变

由金属纳米结构支撑的表面等离子体激元与光发生强烈相互作用，并将其限制在亚波长范围内，从而迫使相应的电场在纳米级距离内变化。这导致非常大的场梯度，可以利用该场梯度来增强位于纳米结构附近的量子发射器的四极转变。石墨烯纳米结构非常适合此任务，因为它们的等离激元可以将光限制在比常规等离激元纳米结构所维持的等效激发光小得多的体积中。此外，除了其几何可调性之外，还可以通过控制纳米结构的掺杂水平来有效地调节石墨烯等离子体激元，这可以通过化学或静电方式实现。这里，我们提供了对不同石墨烯纳米结构附近场梯度增强的详细研究。使用麦克斯韦方程组的严格解以及解析静电方法，我们分析了纳米结构的大小，形状，掺杂水平和质量如何影响该数量。我们还研究了纳米带阵列的性能，这些纳米带构成了对我们的预测进行实验验证的合适平台。这项工作的结果为增强和控制量子发射体的四极跃迁带来了新的可能性，可以在相关化学物种的检测以及新型发光器件的设计中找到应用。使用麦克斯韦方程组的严格解以及解析静电方法，我们分析了纳米结构的大小，形状，掺杂水平和质量如何影响该数量。我们还研究了纳米带阵列的性能，这些纳米带构成了对我们的预测进行实验验证的合适平台。这项工作的结果为增强和控制量子发射体的四极跃迁带来了新的可能性，可以在相关化学物种的检测以及新型发光器件的设计中找到应用。使用麦克斯韦方程组的严格解以及解析静电方法，我们分析了纳米结构的大小，形状，掺杂水平和质量如何影响该数量。我们还研究了纳米带阵列的性能，这些纳米带构成了对我们的预测进行实验验证的合适平台。这项工作的结果为增强和控制量子发射体的四极跃迁带来了新的可能性，可以在相关化学物种的检测以及新型发光器件的设计中找到应用。纳米带阵列的性能，为我们的预测进行实验验证提供了一个合适的平台。这项工作的结果为增强和控制量子发射体的四极跃迁带来了新的可能性，可以在相关化学物种的检测以及新型发光器件的设计中找到应用。纳米带阵列的性能，为我们的预测进行实验验证提供了一个合适的平台。这项工作的结果为增强和控制量子发射体的四极跃迁带来了新的可能性，可以在相关化学物种的检测以及新型发光器件的设计中找到应用。