Fysikere udarbejder metode til at afsløre, hvordan lys påvirker materialer

Fysikere udviklede en måde at bestemme de elektroniske egenskaber af tynde guldfilm, efter at de interagerer med lys. Naturkommunikation offentliggjorde den nye metode, hvilket øger forståelsen af ​​de grundlæggende love, der styrer interaktionen mellem elektroner og lys.

"Overraskende, Indtil nu har der været meget begrænsede måder at bestemme, hvad der præcist sker med materialer, efter at vi har kastet lys over dem, "siger Hayk Harutyunyan, en adjunkt i fysik ved Emory University og hovedforfatter af forskningen. "Vores fund kan bane vejen for forbedringer i enheder såsom optiske sensorer og fotovoltaiske celler."

Fra solpaneler til kameraer og mobiltelefoner - til at se med vores øjne - samspillet mellem fotoner af lys med atomer og elektroner er allestedsnærværende. "Optisk fænomen er så fundamental en proces, at vi tager det for givet, og alligevel er det ikke fuldt ud forstået, hvordan lys interagerer med materialer, "Siger Harutyunyan.

En hindring for at forstå detaljerne i disse interaktioner er deres kompleksitet. Når energien af ​​en lysfoton overføres til en elektron i et lysabsorberende materiale, fphotonen ødelægges, og elektronen exciteres fra et niveau til et andet. Men så mange fotoner, atomer og elektroner er involveret - og processen sker så hurtigt - at laboratoriemodellering af processen er beregningsmæssigt udfordrende.

For Nature Communications -papiret, fysikerne startede med et relativt enkelt materialesystem-ultratynde guldlag-og udførte eksperimenter på det.

"Vi brugte ikke brutal beregningskraft, "Harutyunyan siger." Vi startede med eksperimentelle data og udviklede en analytisk og teoretisk model, der tillod os at bruge pen og papir til at afkode dataene. "

Harutyunyan og Manoj Manjare, en postdoktor i sit laboratorium, designet og gennemført eksperimenterne. Stephen Gray, Gary Wiederrecht og Tal Heilpern - fra Argonne National Laboratory - kom med de nødvendige matematiske værktøjer. Argonne -fysikerne arbejdede også på den teoretiske model, sammen med Alexander Govorov fra Ohio University.

Til forsøgene, nanolagene af guld blev placeret i bestemte vinkler. Lys blev derefter skinnet på guldet i to, sekventielle impulser. "Disse laserlysimpulser var meget korte i tid - tusinder af milliarder af gange kortere end et sekund, "Harutyunyan siger." Den første puls blev absorberet af guldet. Den anden lysimpuls målte resultaterne af denne absorption, viser, hvordan elektronerne ændrede sig fra jord til exciteret tilstand."

Typisk, guld absorberer lys ved grønne frekvenser, afspejler alle de andre farver i spektret, hvilket får metallet til at se gult ud. I form af nanolag, imidlertid, guld kan absorbere lys ved længere bølgelængder, i den infrarøde del af spektret.

"I en vis excitationsvinkel, vi var i stand til at fremkalde elektroniske overgange, der ikke bare var en anden frekvens, men en anden fysisk proces, " Harutyunyan siger. "Vi var i stand til at spore udviklingen af ​​den proces over tid og demonstrere, hvorfor og hvordan disse overgange sker."

Brug af metoden til bedre at forstå de interaktioner, der ligger til grund for lysabsorption af et materiale, kan føre til måder at tune og styre disse interaktioner på.

Fotovoltaiske solenergiceller, for eksempel, er i øjeblikket kun i stand til at absorbere en lille procentdel af det lys, der rammer dem. Optiske sensorer brugt i biomedicin og fotokatalysatorer brugt i kemi er andre eksempler på enheder, der potentielt kan forbedres med den nye metode.

Mens Naturkommunikation papir giver bevis på koncept, forskerne planlægger at fortsætte med at forfine metodens brug med guld, mens de også eksperimenterer med en række andre materialer.

"Ultimativt, vi vil demonstrere, at dette er en bred metode, der kan anvendes på mange nyttige materialer, " siger Harutyunyan.