Lab bada granice molekularne plazmonów

Anonim

Naukowcy z Uniwersytetu Rice badają fizyczne granice wzbudzonych stanów elektronicznych zwanych plazmonami, badając je w cząsteczkach organicznych zawierających mniej niż 50 atomów.

Plazmony są oscylacjami w plazmie swobodnych elektronów, które nieustannie wirują na powierzchni materiałów przewodzących, takich jak metale. W niektórych nanomateriałach określony kolor światła może rezonować z plazmą i powodować, że elektrony w niej tracą swoją indywidualną tożsamość i poruszają się jako jedna, w rytmicznych falach. Laboratorium Nanomfotoniczne Rice (LANP) jest pionierem rosnącej listy plazmonicznych technologii do zastosowań tak różnorodnych jak szkło zmieniające barwę, wykrywanie molekularne, diagnostyka i leczenie raka, optoelektronika, zbieranie energii słonecznej i fotokataliza.

Raportując online w postępowaniu Narodowej Akademii Nauk, naukowcy z LANP opisali wyniki dwuletniego eksperymentalnego i teoretycznego badania plazmonów w trzech różnych wielopierścieniowych węglowodorach aromatycznych (WWA). W przeciwieństwie do plazmonów we względnie dużych metalowych nanocząstkach, które można typowo opisać za pomocą klasycznej teorii elektromagnetycznej, takiej jak równania Maxwella, niedostatek atomów w PAH tworzy plazmony, które można zrozumieć tylko w kategoriach mechaniki kwantowej, wspominane współautorstwo i współautorstwo badań. projektant Naomi Halas, dyrektor LANP i główny badacz projektu.

"Te WWA są zasadniczo resztkami grafenu, które zawierają pięć lub sześć skondensowanych pierścieni benzenowych otoczonych obwodem atomów wodoru" - powiedział Halas. "W każdym jest tak mało atomów, że dodanie lub usunięcie nawet jednego elektronu dramatycznie zmienia ich zachowanie elektroniczne."

Zespół Halasa zweryfikował eksperymentalnie istnienie plazmonów molekularnych w kilku poprzednich badaniach. Potrzebne było jednak badanie, które łączyłoby jednocześnie teoretyczne i eksperymentalne perspektywy, powiedział współautor badania Luca Bursi, doktor habilitowany i fizyk teoretyczny w grupie badawczej współprojektanta studiów i współautora Petera Nordlandera.

"Wzbudzenia molekularne są wszechobecne w przyrodzie i bardzo dobrze zbadane, szczególnie w przypadku neutralnych WWA, które w przeszłości uznawano za standard nie-plazmonowego pobudzenia" - powiedział Bursi. "Biorąc pod uwagę, ile już wiadomo o PAH, były one idealnym wyborem do dalszych badań nad właściwościami wzbudzeń plazmonicznych w systemach tak małych jak rzeczywiste cząsteczki, które stanowią granicę plazmoniki."

Główny współautor Kyle Chapkin, Ph.D. student fizyki stosowanej w grupie badawczej Halas, powiedział: "Plazmonika molekularna jest nowym obszarem na styku plazmoniki i chemii molekularnej, która szybko ewoluuje, a gdy plazmonika osiąga skalę molekularną, tracimy ostre rozróżnienie tego, co stanowi plazmon. a co nie, musimy znaleźć nowe uzasadnienie dla wyjaśnienia tego reżimu, co było jedną z głównych motywacji tego badania. "

W ich naturalnym stanie, WWA, które były badane - anthanthrene, benzo (ghi) perylene i perylene - są neutralne pod względem ładunku i nie mogą być pobudzone do stanu plazmonowego przez widzialną długość fali światła stosowaną w eksperymentach Chapkina. W swojej anionowej postaci cząsteczki zawierają dodatkowy elektron, który zmienia ich "stan podłoża" i czyni je plazmonowo aktywnymi w widmie widzialnym. Poprzez ekscytowanie zarówno natywnych, jak i anionowych form cząsteczek i dokładne porównanie ich zachowania, kiedy rozluźnili się z powrotem do stanu podstawowego, Chapkin i Bursi zbudowali solidny przypadek, w którym formy anionowe wspierają plazmidy molekularne w widmie widzialnym.

Klucz, powiedział Chapkin, identyfikował wiele podobieństw między zachowaniem znanych plazmonicznych cząstek a anionowymi PAH. Poprzez dopasowanie obu skal czasowych i trybów dla zachowań relaksacyjnych, zespół LANP zbudował obraz charakterystycznej dynamiki niskoenergetycznych wzbudzeń plazmonowych w anionowych PAH.

"W cząsteczkach wszystkie wzbudzenia są wzbudzeniami molekularnymi, ale wybrane stany wzbudzone wykazują pewne cechy, które pozwalają nam narysować paralelę z dobrze ustalonymi wymuszeniami plazmonicznymi w metalowych nanostrukturach" - powiedział Bursi.

"Badanie to oferuje okno na czasami zaskakujące zachowanie zbiorowych wzbudzeń w systemach kwantowych o kilku atomach" - powiedział Halas. "To, czego się tu nauczyliśmy, pomoże naszemu laboratorium i innym osobom w opracowaniu metod kwantowego plazmonicznego dla ultraszybkiej, zmieniającej barwę szklanej optoelektroniki w skali molekularnej i nieliniowej optyki za pośrednictwem plazmonów."

menu
menu