Rice University-onderzoekers onderzoeken de fysieke grenzen van aangeslagen elektronische toestanden, plasmonen genaamd, door ze te bestuderen in organische moleculen met minder dan 50 atomen.

Plasmonen zijn oscillaties in het plasma van vrije elektronen die constant over het oppervlak van geleidende materialen zoals metalen wervelen. In sommige nanomaterialen een specifieke kleur licht kan resoneren met het plasma en ervoor zorgen dat de elektronen erin hun individuele identiteit verliezen en als één bewegen, in ritmische golven. Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) is een pionier in een groeiende lijst van plasmonische technologieën voor toepassingen zo divers als van kleur veranderend glas, moleculaire detectie, diagnose en behandeling van kanker, opto-elektronica, zonne-energie verzamelen en fotokatalyse.

Online melden in de Proceedings van de National Academy of Sciences , LANP-wetenschappers hebben de resultaten beschreven van een twee jaar durend experimenteel en theoretisch onderzoek naar plasmonen in drie verschillende polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's). In tegenstelling tot de plasmonen in relatief grote metalen nanodeeltjes, die typisch kan worden beschreven met klassieke elektromagnetische theorie zoals de vergelijkingen van Maxwell, het gebrek aan atomen in de PAK's produceert plasmonen die alleen kunnen worden begrepen in termen van kwantummechanica, zei co-auteur en co-ontwerper Naomi Halas van de studie, de directeur van LANP en de hoofdonderzoeker van het project.

"Deze PAK's zijn in wezen stukjes grafeen die vijf of zes gefuseerde benzeenringen bevatten, omringd door een omtrek van waterstofatomen, "Zei Halas. "Er zijn zo weinig atomen in elk dat het toevoegen of verwijderen van zelfs maar een enkel elektron hun elektronische gedrag drastisch verandert."

Het team van Halas had in verschillende eerdere onderzoeken het bestaan ​​van moleculaire plasmonen experimenteel geverifieerd. Maar er was een onderzoek nodig dat theoretische en experimentele perspectieven naast elkaar combineerde, zei studie co-auteur Luca Bursi, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker en theoretisch fysicus in de onderzoeksgroep van studie co-ontwerper en co-auteur Peter Nordlander.

"Moleculaire excitaties zijn alomtegenwoordig in de natuur en zeer goed bestudeerd, speciaal voor neutrale PAK's, die in het verleden als de standaard van niet-plasmonische excitaties werden beschouwd, " zei Bursi. "Gezien hoeveel er al bekend is over PAK's, ze waren een ideale keuze voor verder onderzoek naar de eigenschappen van plasmonische excitaties in systemen zo klein als echte moleculen, die een grens van plasmonics vertegenwoordigen."

Hoofdco-auteur Kyle Chapkin, een doctoraat student toegepaste natuurkunde in de Halas onderzoeksgroep, zei, "Moleculaire plasmonica is een nieuw gebied op het grensvlak tussen plasmonica en moleculaire chemie, die zich snel ontwikkelt. Wanneer plasmonica de moleculaire schaal bereiken, we verliezen elk scherp onderscheid tussen wat een plasmon is en wat niet. We moeten een nieuwe reden vinden om dit regime te verklaren, dat was een van de belangrijkste motivaties voor deze studie."

In hun geboortestaat, de onderzochte PAK's - anthanthreen, benzo[ghi]peryleen en peryleen - zijn ladingsneutraal en kunnen niet in een plasmonische toestand worden geëxciteerd door de zichtbare golflengten van licht die in de experimenten van Chapkin worden gebruikt. In hun anionische vorm, de moleculen bevatten een extra elektron, die hun "grondtoestand" verandert en ze plasmonisch actief maakt in het zichtbare spectrum. Door zowel de natieve als de anionische vormen van de moleculen te prikkelen en precies te vergelijken hoe ze zich gedroegen terwijl ze zich terug ontspanden naar hun grondtoestand, Chapkin en Bursi hebben bewezen dat de anionische vormen moleculaire plasmonen in het zichtbare spectrum ondersteunen.

De sleutel, Chapkin zei, identificeerde een aantal overeenkomsten tussen het gedrag van bekende plasmonische deeltjes en de anionische PAK's. Door zowel de tijdschalen als de modi voor ontspanningsgedrag op elkaar af te stemmen, het LANP-team bouwde een beeld op van een karakteristieke dynamiek van laagenergetische plasmonische excitaties in de anionische PAK's.

"In moleculen, alle excitaties zijn moleculaire excitaties, maar geselecteerde aangeslagen toestanden vertonen enkele kenmerken die ons in staat stellen een parallel te trekken met de gevestigde plasmonische excitaties in metalen nanostructuren, ' zei Bursi.

"Deze studie biedt een venster op het soms verrassende gedrag van collectieve excitaties in kwantumsystemen met een paar atomen, " zei Halas. "Wat we hier hebben geleerd, zal ons laboratorium en anderen helpen bij het ontwikkelen van kwantumplasmonische benaderingen voor ultrasnel van kleur veranderend glas, opto-elektronica op moleculaire schaal en niet-lineaire plasmon-gemedieerde optica."