Laboratuar probları plazmoniğin moleküler limiti
Rice Üniversitesi araştırmacıları, 50'den az atom içeren organik moleküller üzerinde çalışarak, plasmon olarak adlandırılan heyecanlı elektronik durumların fiziksel sınırlarını araştırıyorlar.
Plasmonlar, metaller gibi iletken malzemelerin yüzeyinde sürekli olarak dönen serbest elektronların plazmasındaki salınımlardır. Bazı nanomalzemelerde, belirli bir ışık rengi plazma ile rezonansa girebilir ve içindeki elektronların bireysel kimliklerini kaybetmesine ve ritmik dalgalarda birer hareket etmesine neden olabilir. Rice'ın Nanophotonics Laboratuvarı (LANP), renk değiştiren cam, moleküler algılama, kanser teşhisi ve tedavisi, optoelektronik, güneş enerjisi toplama ve fotokataliz gibi çeşitli uygulamalar için giderek artan bir çeşit plazmonik teknolojilere öncülük etmiştir.
Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabında online olarak raporlama yapan LANP bilim adamları, iki farklı deneysel ve teorik çalışmanın sonuçlarını üç farklı polisiklik aromatik hidrokarbon (PAH) içinde detaylı olarak anlattılar. Genellikle Maxwell denklemleri gibi klasik elektromanyetik teori ile açıklanabilen nispeten büyük metal nanopartiküllerdeki plasmonların aksine, PAH'lardaki atomların yetersizliği sadece kuantum mekaniği açısından anlaşılabilen plasmonlar üretir, söz konusu çalışma ortak yazar ve eş LANP direktörü ve projenin baş araştırmacısı olan tasarımcı Naomi Halas.
Halas, "Bu PAH'lar esas olarak hidrojen atomlarının bir çevresiyle çevrelenmiş beş veya altı kaynaşmış benzen halkası içeren grafen parçalarıdır" dedi. "Tek bir elektronun bile eklenmesi veya çıkarılması, elektronik davranışlarını önemli ölçüde değiştiren çok az atom var."
Halas'ın ekibi, önceki birkaç çalışmada moleküler plasmonların varlığını deneysel olarak doğruladı. Ancak yan yana teorik ve deneysel bakış açılarını birleştiren bir araştırmaya ihtiyaç duyulduğunu belirten yazar, çalışma ortak araştırmacı ve yazar Peter Nordlander'ın araştırma grubundaki araştırmacı doktora sonrası araştırma görevlisi ve kuramsal fizikçisi eş-yazar Luca Bursi.
Bursi, "Moleküler uyarımlar doğada her yerde bir çoklıktır ve özellikle geçmişte plasmonik uyarımların standardı olarak kabul edilen nötr PAH'lar için çok iyi çalışılmıştır." Dedi. "PAH'lar hakkında zaten ne kadar bilgi verildiği göz önüne alındığında, plazmoniğin bir sınırını temsil eden gerçek moleküller kadar küçük sistemlerde plasmonik uyarımların özelliklerinin daha fazla araştırılması için ideal bir seçimdi."
Kurucu ortak yazar Kyle Chapkin, Ph.D. Halas araştırma grubundaki uygulamalı fizikteki öğrenci, "Moleküler plazmonik, hızla evrimleşen plazmonik ve moleküler kimya arasındaki arayüzde yeni bir alan. Plazmonik, moleküler ölçeğe ulaştığında, bir plasmon oluşturan şeyin keskin bir ayrımını kaybediyoruz." ve ne yok? Bu çalışmanın ana motivasyonlarından biri olan bu rejimi açıklamak için yeni bir gerekçe bulmamız gerekiyor. ”
Yerli durumlarında, çalışılan PAH'lar - anthanthren, benzo (ghi) perilen ve perilen - şarj nötrdür ve Chapkin'in deneylerinde kullanılan ışığın görünür dalga boyları ile plazmonik bir duruma heyecanlanamazlar. Anyonik formlarında, moleküller "toprak durumunu" değiştiren ve görünür spektrumda plazmik olarak aktif hale getiren ek bir elektron içerirler. Moleküllerin hem doğal hem de anyonik formlarını heyecanlandırarak ve zemin durumlarına geri döndüklerinde nasıl davrandıklarını tam olarak karşılaştırarak, Chapkin ve Bursi anyonik formların görünür spektrumda moleküler plastomları desteklediğine dair sağlam bir vaka yaptılar.
Chapkin, anahtarın, bilinen plazmonik parçacıkların ve anyonik PAH'ların davranışları arasındaki birtakım benzerlikleri tanımlamak olduğunu söyledi. Rahatlama davranışları için zaman çizelgeleri ve modları eşleştirerek, LANP ekibi anyonik PAH'larda düşük enerjili plasmonik uyarımların karakteristik dinamiklerinin bir resmini oluşturdu.
Bursi, "Moleküllerde, tüm uyarılar moleküler uyarımlardır, fakat uyarılmış durumları seçmek, metal nanoyapılarda iyi bilinen plasmonik uyarımlarla bir paralel çizmemizi sağlayan bazı özellikler göstermektedir, " dedi.
Halas, “Bu çalışma, birkaç atom kuantum sistemindeki kolektif uyarımların bazen şaşırtıcı davranışlarına dair bir pencere sunuyor” dedi. "Burada öğrendiklerimiz, ultrafast renk değiştiren cam, moleküler ölçekli optoelektronik ve doğrusal olmayan plasmon aracılı optikler için laboratuar ve diğerlerine kuantum-plasmonik yaklaşımlar geliştirmede yardımcı olacaktır."