Natuurkundigen ontwikkelden een manier om de elektronische eigenschappen van dunne goudfilms te bepalen nadat ze in wisselwerking staan ​​met licht. Natuurcommunicatie de nieuwe methode gepubliceerd, wat bijdraagt ​​aan het begrip van de fundamentele wetten die de interactie van elektronen en licht regelen.

"Verrassend genoeg, tot nu toe zijn er zeer beperkte manieren om te bepalen wat er precies gebeurt met materialen nadat we er licht op schijnen, " zegt Hayk Harutyunyan, een assistent-professor natuurkunde aan de Emory University en hoofdauteur van het onderzoek. "Onze bevinding kan de weg vrijmaken voor verbeteringen in apparaten zoals optische sensoren en fotovoltaïsche cellen."

Van zonnepanelen tot camera's en mobiele telefoons - tot zien met onze ogen - de interactie van fotonen van licht met atomen en elektronen is alomtegenwoordig. "Optisch fenomeen is zo'n fundamenteel proces dat we het als vanzelfsprekend beschouwen, en toch is het niet helemaal duidelijk hoe licht interageert met materialen, ' zegt Harutyunyan.

Een obstakel voor het begrijpen van de details van deze interacties is hun complexiteit. Wanneer de energie van een lichtfoton wordt overgedragen op een elektron in een lichtabsorberend materiaal, het ffoton wordt vernietigd en het elektron wordt van het ene niveau naar het andere geëxciteerd. Maar zoveel fotonen, er zijn atomen en elektronen bij betrokken - en het proces gaat zo snel - dat laboratoriummodellering van het proces rekenkundig een uitdaging is.

Voor de Nature Communications-paper, de natuurkundigen begonnen met een relatief eenvoudig materiaalsysteem - ultradunne goudlagen - en voerden er experimenten op uit.

"We hebben geen brute rekenkracht gebruikt, " zegt Harutyunyan. "We begonnen met experimentele gegevens en ontwikkelden een analytisch en theoretisch model waarmee we pen en papier konden gebruiken om de gegevens te decoderen."

Harutyunyan en Manoj Manjare, een postdoctoraal onderzoeker in zijn lab, de experimenten ontworpen en uitgevoerd. Stephen Grijs, Gary Wiederrecht en Tal Heilpern - van het Argonne National Laboratory - kwamen met de benodigde wiskundige hulpmiddelen. De natuurkundigen van Argonne werkten ook aan het theoretische model, samen met Alexander Govorov van de Universiteit van Ohio.

Voor de experimenten, de nanolagen van goud waren onder bepaalde hoeken gepositioneerd. Toen scheen er in tweeën licht op het goud, opeenvolgende pulsen. "Deze laserlichtpulsen waren erg kort in tijd - duizenden miljarden keren korter dan een seconde, ' zegt Harutyunyan. 'De eerste puls werd geabsorbeerd door het goud. De tweede lichtpuls mat de resultaten van die absorptie, laten zien hoe de elektronen veranderden van een grond naar een aangeslagen toestand."

Typisch, goud absorbeert licht bij groene frequenties, die alle andere kleuren van het spectrum weerspiegelt, waardoor het metaal geel lijkt. In de vorm van nanolagen, echter, goud kan licht absorberen bij langere golflengten, in het infrarode deel van het spectrum.

"Bij een bepaalde excitatiehoek, we waren in staat om elektronische overgangen te induceren die niet alleen een andere frequentie waren, maar een ander fysiek proces, " zegt Harutyunyan. "We waren in staat om de evolutie van dat proces in de loop van de tijd te volgen en aan te tonen waarom en hoe die overgangen plaatsvinden."

Het gebruik van de methode om de interacties die ten grondslag liggen aan lichtabsorptie door een materiaal beter te begrijpen, kan leiden tot manieren om deze interacties af te stemmen en te beheren.

Fotovoltaïsche zonne-energiecellen, bijvoorbeeld, zijn momenteel slechts in staat om een ​​klein percentage van het licht dat erop valt te absorberen. Optische sensoren die worden gebruikt in de biogeneeskunde en fotokatalysatoren die in de chemie worden gebruikt, zijn andere voorbeelden van apparaten die mogelijk kunnen worden verbeterd door de nieuwe methode.

Terwijl de Natuurcommunicatie papier biedt proof of concept, de onderzoekers zijn van plan om het gebruik van de methode met goud te blijven verfijnen en tegelijkertijd te experimenteren met een reeks andere materialen.

"Uiteindelijk, we willen aantonen dat dit een brede methode is die op veel bruikbare materialen kan worden toegepast, ' zegt Harutyunyan.