plasmonen, die kunnen worden gezien als wolken van elektronen die oscilleren in een metalen nanocluster, zou kunnen dienen als antennes om zonlicht efficiënter te absorberen dan halfgeleiders. Het begrijpen en manipuleren ervan is belangrijk voor hun potentiële gebruik in fotovoltaïsche, zonnecelwater het verdelen, en door zonlicht veroorzaakte brandstofproductie uit CO2.

Maar in deze toepassingen excitatie van een enkel deeltje in plaats van de collectieve plasmon-excitatie is nodig om elektronen één voor één over te dragen naar een elektrode en gewenste chemische reacties te induceren. Nadat het plasmon is geëxciteerd door zonlicht, het induceert de excitatie van enkelvoudige deeltjes 'hete dragers'. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, het samenspel tussen de plasmonmodus en de excitatie van één deeltje in een kleine metalen cluster is direct gesimuleerd.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) gebruikten een realtime numeriek algoritme, ontwikkeld in Berkeley Lab in februari, om zowel het plasmon als de hete drager binnen hetzelfde kader te bestuderen. Dat is van cruciaal belang om te begrijpen hoe lang een deeltje opgewonden blijft, en of er energieterugstroom is van hete drager naar plasmon. De nieuwe studie toont de elektronenbeweging wanneer deze wordt verstoord door licht.

"Je moet bedenken hoe het plasmon zijn energie kan geven aan excitaties van enkelvoudige deeltjes. Mensen hebben dit analytisch gedaan, maar ze keken naar het bulkachtige materiaal en behandelden de plasmonmodus met behulp van klassieke beschrijving, " zegt Lin Wang Wang, senior stafwetenschapper bij Berkeley Lab, die dit werk leidde. "We hebben zowel het plasmon als de excitatie van één deeltje kwantum mechanisch beschreven, en bestudeerde nanodeeltjes omdat ze vaak in daadwerkelijke toepassingen worden gebruikt. Als je in zo'n nanosysteem een ​​hot carrier genereert, het is gemakkelijker om over te brengen naar de aangesloten elektrode vanwege hun kleine afmetingen." Zijn berekeningen gebruikten licht om Ag55 te exciteren, een metalen nanocluster met bekende geometrie, en toonde het gedrag van het plasmon en de excitatie van een enkel deeltje.

De studie werd gepubliceerd in een Natuurcommunicatie paper getiteld 'Interplay Between Plasmon and Single-particle Excitations in a Metal Nanocluster'. Jie Ma en Zhi Wang, ook van Berkeley Lab, en Lin-Wang Wang zijn de auteurs.

In de simulaties metalen nanodeeltjesclusters reageerden duidelijk op extern licht, met lading 'klotsen' heen en weer binnen de clusters. Echter, die beweging kan zowel worden veroorzaakt door een plasmon als door excitaties van enkelvoudige deeltjes. De truc is om te laten zien wat wat is.

"We hebben een manier gevonden om ze te onderscheiden door hun verschillende oscillerende gedragingen. Met behulp van deze methode, we ontdekten dat als een hete drager-excitatie in overeenstemming is met de plasmon-oscillatie, dan kan 90% van de plasmonenergie worden omgezet in de energie van één deeltje. Maar als ze uit de toon vallen, de totale energie zal heen en weer gaan tussen het plasmon en de exicatie van één deeltje, " legt Wang uit.

Jie Ma, een postdoc die de hoofdauteur van het artikel is, voegt eraan toe dat "de excitatie van een enkel deeltje de voortdurende verandering is van de elektronenbezetting, maar het plasmon is de oscillatie van de elektronenbezettingen rond de Fermi-energie ['grondniveau' van het elektronenreservoir]." Wanneer er resonantie tussen de twee ontstaat, het grootste deel van de energieoverdracht naar de hete drager.

Conventionele computermethoden voor grondtoestanden kunnen niet worden gebruikt om systemen te bestuderen waarin elektronen zijn geëxciteerd. Maar met behulp van real-time simulaties, een aangeslagen systeem kan worden gemodelleerd met tijdsafhankelijke vergelijkingen die de beweging van elektronen in de femtoseconde (quadrillionste van een seconde) tijdschaal beschrijven.

Een aangeslagen enkel deeltje kan snel dalen naar een lagere energietoestand door een fonon uit te zenden, dat is de vibratie van de atomen. Dit betekent dat het geen hot carrier meer is. Eventueel, alle hete dragers verliezen hun energie, als elektronen en gaten recombineren in een metalen systeem. Maar de vraag is hoe lang de hete drager warm blijft en naar een andere elektrode of molecuul kan worden getransporteerd voordat deze wordt afgekoeld. Eerdere studies, die niet de kernbeweging omvatten, kan het koelproces niet beschrijven. Maar de simulatie van Wang suggereert dat in een kleine nanostructuur de drager langzamer afkoelt dan in een bulksysteem.

"Hier, we simuleerden geïsoleerde nanodeeltjes. Maar als je de nanodeeltjes op een of ander substraat legt, dat zou heel interessant kunnen zijn, " zegt Ma. Het zal belangrijk zijn om te begrijpen hoe lang een warme drager warm kan blijven.

Met krachtige rekentools, deze vragen kunnen nu worden beantwoord en gebruikt bij de ontwikkeling van toekomstige plasmongestuurde toepassingen.