De onderzoeksgroep van professor Hiroaki Misawa van Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University en universitair docent Atsushi Kubo van de Faculteit der Zuivere en Toegepaste Wetenschappen, Universiteit van Tsukuba, voor het eerst ter wereld met succes de defaseringstijd van de twee verschillende soorten collectieve bewegingen van elektronen die op het oppervlak van een gouden nanodeeltje worden gegenereerd, hebben waargenomen, door een laser die ultrakorte lichtpulsen afgeeft te combineren met een foto-emissie-elektronenmicroscoop.

Wanneer goud wordt verkleind tot de grootte op nanometerschaal, de kleur is rood in plaats van goud. Wanneer gouden nanodeeltjes worden blootgesteld aan licht, de collectieve oscillaties van elektronen die op het gelokaliseerde oppervlak van het goud bestaan, zorgen ervoor dat rood licht sterk wordt geabsorbeerd en verspreid.

Dit fenomeen wordt Surface Plasmon Resonance genoemd. De rode kleur van glas in lood is ook een gevolg van dit fenomeen. Onlangs, gouden nanodeeltjes zijn op grote schaal gebruikt op verschillende gebieden, zoals toepassing in zwangerschapstesten.

Deze collectieve oscillaties van elektronen op het oppervlak van gouden nanodeeltjes, veroorzaakt door licht, werden beschouwd als een fenomeen dat slechts een extreem korte tijd aanhield, en moeilijk te meten vanwege deze kortheid.

Onze onderzoeksgroep ontwikkelde een methodologie om de defaseringstijd van de collectieve oscillaties van elektronen die optreden op het oppervlak van gouden nanodeeltjes te meten door een laser te combineren die ultrakorte lichtpulsen van enkele femtoseconden uitzendt (1 femtoseconde =10 ^-15 seconden), en een foto-emissie-elektronenmicroscoop in hoge ruimtelijke resolutie.

Wanneer gemeten met deze techniek, de verschillende defaseringstijden van de twee verschillende collectieve oscillaties, namelijk dipool en quadrupool oppervlakte plasmon modes, kan worden opgelost en geïdentificeerd als 5 femtoseconden en 9 femtoseconden, respectievelijk.

Onderzoek met gouden nanodeeltjes als optische antennes om licht te oogsten voor fotovoltaïsche cellen en een kunstmatig fotosynthesesysteem dat water kan splitsen om waterstof te verkrijgen, vordert. Het succesvol meten van de defaseringstijd van de collectieve oscillaties van elektronen wordt beschouwd als een bruikbare richtlijn bij het ontwikkelen van deze systemen.