golfachtig, collectieve oscillaties van elektronen die bekend staan ​​als "plasmonen" zijn erg belangrijk voor het bepalen van de optische en elektronische eigenschappen van metalen.

In atomair dunne 2D-materialen, plasmonen hebben een energie die nuttiger is voor toepassingen, inclusief sensoren en communicatieapparatuur, dan plasmonen in bulkmetalen. Maar om te bepalen hoe lang plasmonen leven en of hun energie en andere eigenschappen op nanoschaal (miljardsten van een meter) kunnen worden gecontroleerd, is velen ontgaan.

Nutsvoorzieningen, zoals gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie , een team van onderzoekers onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy - met steun van het Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM) van het Department of Energy - heeft langlevende plasmonen waargenomen in een nieuwe klasse van geleidend overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) genaamd "quasi 2-D-kristallen".

Om te begrijpen hoe plasmonen werken in quasi 2-D kristallen, de onderzoekers karakteriseerden de eigenschappen van zowel niet-geleidende elektronen als geleidende elektronen in een monolaag van het TMD-tantaaldisulfide. Eerdere studies keken alleen naar geleidende elektronen. "We ontdekten dat het erg belangrijk was om alle interacties tussen beide soorten elektronen zorgvuldig mee te nemen, " zei C2SEPEM-directeur Steven Louie, die de studie leidde. Louie heeft ook titels als senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley.

De onderzoekers ontwikkelden geavanceerde nieuwe algoritmen om de elektronische eigenschappen van het materiaal te berekenen, inclusief plasmonoscillaties met lange golflengten, "Omdat dit een knelpunt was met eerdere computationele benaderingen, " zei hoofdauteur Felipe da Jornada, die ten tijde van het onderzoek een postdoctoraal onderzoeker was in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. Jornada is momenteel een assistent-professor in materiaalkunde en techniek aan de Stanford University.

Tot verbazing van de onderzoekers de resultaten van berekeningen uitgevoerd door de Cori-supercomputer van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van Berkeley Lab onthulden dat plasmonen in quasi 2-D TMD's veel stabieler zijn - zo lang als ongeveer 2 picoseconden, of 2 biljoenste van een seconde - dan eerder werd gedacht.

Hun bevindingen suggereren ook dat plasmonen gegenereerd door quasi 2-D TMD's de intensiteit van licht met meer dan 10 miljoen keer zouden kunnen verbeteren, de deur openen voor hernieuwbare chemie (chemische reacties veroorzaakt door licht), of de engineering van elektronische materialen die door licht kunnen worden bestuurd.

In toekomstige studies, de onderzoekers zijn van plan te onderzoeken hoe de zeer energetische elektronen die door dergelijke plasmonen vrijkomen bij verval kunnen worden gebruikt, en of ze kunnen worden gebruikt om chemische reacties te katalyseren.