Optical characterization of a single molecule complete spatial orientation using intra-molecular triplet-triplet absorption - ENS - École normale supérieure Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Physical Chemistry Chemical Physics Année : 2024

Optical characterization of a single molecule complete spatial orientation using intra-molecular triplet-triplet absorption

Caractérisation optique de l'orientation complète d'une molécule unique en utilisant son absorption triplet-triplet

Résumé

Progress in single molecule fluorescence experiments have enabled an in-depth characterization of fluorophores, ranging from their photophysical rates to the orientation of their emission dipole moments in three dimensions. However, one crucial spatial information remains elusive: the molecule orientation relative to its emission dipole moment. One can retrieve the latter only by the use of another non-colinear transition dipole moment. We experimentally demonstrate the optical retrieval of this information for single Terrylene (Tr) molecules in a 30 nm thin para-terphenyl matrix. We show, through second-order correlation measurements at varying excitation power and polarization, that Tr molecules experience an optically induced deshelving of their triplet states, mediated by two orthogonal intra-molecular triplet-triplet absorption dipole moments. We take advantage of these two transition dipole moments to retrieve the full orientation of the Tr molecule, employing a 3-level scheme for the molecule photophysics and analytical calculations for the exciting electric field distribution. This modelling approach enables us to accurately describe both varying power and polarization measurements, giving access to the molecule’s photophysical rates and to its complete orientation in three dimensions. This includes the orientation of the singlet emission dipole moment in the laboratory frame, and the orientation of the molecule plane with respect to the singlet emissiondipole moment.
Les progrès réalisés dans les expériences de fluorescence de molécules uniques ont permis une caractérisation approfondie des fluorophores, allant de leurs taux photophysiques à l'orientation de leurs moments dipolaires d'émission en trois dimensions. Cependant, une information spatiale cruciale reste insaisissable : l'orientation de la molécule par rapport à son moment dipolaire d'émission. On ne peut retrouver cette orientation qu'en utilisant un autre moment dipolaire de transition non-colinéaire. Nous démontrons expérimentalement la récupération par l'optique de cette information pour des molécules uniques de Terrylène (Tr) dans une matrice de para-terphényle de 30 nm d'épaisseur. Nous montrons, par des mesures de corrélation du second ordre à des puissances d'excitation et des polarisations variables, que les molécules de Tr subissent une dépopulation optiquement induite de leurs états triplets, impliquant deux moments dipolaires d'absorption triplet-triplet intramoléculaires orthogonaux. Nous tirons parti de ces deux moments dipolaires de transition pour retrouver l'orientation complète de la molécule de Tr, en utilisant un schéma à trois niveaux pour la photophysique de la molécule et des calculs analytiques pour la distribution du champ électrique d'excitation. Cette modélisation nous permet de décrire avec précision les mesures en fonction de la puissance et de la polarisation, en donnant accès aux taux photophysiques de la molécule et à son orientation complète en trois dimensions. Cela inclut l'orientation du moment dipolaire d'émission singulet dans le référentiel du laboratoire et l'orientation du plan de la molécule par rapport au moment dipolaire d'émission singulet.
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Dates et versions

hal-04585254 , version 1 (23-05-2024)

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Citer

Remigiusz Trojanowicz, Ludovic Douillard, Lydia Sosa Vargas, Fabrice Charra, Simon Vassant. Optical characterization of a single molecule complete spatial orientation using intra-molecular triplet-triplet absorption. Physical Chemistry Chemical Physics, In press, ⟨10.1039/D4CP00867G⟩. ⟨hal-04585254⟩
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