Onderzoekers van de MPSD en het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in de Verenigde Staten hebben een belangrijk nieuw fundamenteel soort kwantumelektronische oscillatie ontdekt, of plasmon, in atomair dunne materialen. Hun werk is nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Het heeft potentiële implicaties voor nieuwe beeldvormingstechnieken en fotochemische reacties op nanoschaal.

Bijna zeventig jaar geleden, wetenschappers toonden aan dat elektronen in materialen golfachtige voortplantende oscillaties kunnen ondersteunen, bekend als plasmonen. Vandaag de dag, er is een levendig veld van plasmonica dat deze elektronische oscillaties bestudeert, met toepassingen zoals het maken van snellere computerchips, zonnepanelen, biosensoren, en zelfs behandelingen voor kankertherapie.

Plasmonen worden sterk beïnvloed door de geometrie van hun gastheermaterialen, waardoor ze zeer afstembaar zijn voor verschillende toepassingen. Echter, het was niet duidelijk hoe plasmonen zich in een extreem geval gedragen:wanneer materialen slechts een paar atomen dik zijn.

Het internationale onderzoeksteam bestaande uit Felipe da Jornada en Steven Louie van de LBNL van de University of California, Berkeley, en Lede Xian en Ángel Rubio van de MPSD, die is gevestigd in het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), wilde nieuw licht werpen op de eigenschappen van plasmonen in deze roman, atomair dunne materialen.

Met behulp van parametervrije kwantumberekeningen, ze ontdekten dat plasmonen zich op een eigenaardige manier gedragen in alle atomair dunne materialen. Dit was aanvankelijk een verrassing voor de auteurs:"De natuurkunde van het leerboek zegt dat plasmonen in bulkmaterialen zich op één manier gedragen, en in strikt tweedimensionale materialen, op een andere manier. Maar in tegenstelling tot deze vereenvoudigde modellen, plasmonen in totaal echt , atomair dunne materialen gedragen zich toch anders en hebben de neiging veel beter te lokaliseren in de ruimte, " zegt Felipe Jornada, die nu is gevestigd aan de Stanford University.

De reden voor dit verschil, Steven Louie stelt, is dat "in echt atomair dunne materialen, alle andere elektronen die niet geleiden en oscilleren, kunnen deze plasmonen afschermen, wat leidt tot een fundamenteel andere spreidingsrelatie voor deze excitaties."

Andere belangrijke bevindingen van hun onderzoek zijn dat de plasmonen in systemen zoals monolaag TaS ₂ kunnen lange tijd stabiel blijven (~ 2 ps) en zijn vrijwel dispersieloos voor golfvectoren die vaak worden gebruikt in bepaalde experimenten. Dit geeft aan dat plasmonen in atomair dunne materialen in de echte ruimte kunnen worden gelokaliseerd met beschikbare experimentele technieken en de intensiteit van licht aanzienlijk kunnen verbeteren met een factor van meer dan 10 ⁷ .

ngel Rubio, de directeur van de afdeling Theorie van de MPSD, zegt:"Deze bevindingen zijn relevant voor veel toepassingen, van het bevorderen van fotokatalytische reacties tot biosensing en spectroscopie met één molecuul."