Når plasmoner når atomare fladland

Forskere fra MPSD og Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i USA har opdaget en væsentlig ny fundamental form for kvanteelektronisk oscillation, eller plasmon, i atomart tynde materialer. Deres arbejde er nu udgivet i Naturkommunikation . Det har potentielle implikationer for nye billeddannelsesteknikker og fotokemiske reaktioner på nanoskala.

For næsten halvfjerds år siden, videnskabsmænd viste, at elektroner i materialer kunne opretholde bølgelignende udbredende svingninger, kendt som plasmoner. I dag, der er et pulserende felt af plasmonik, der studerer disse elektroniske svingninger, med applikationer som at skabe hurtigere computerchips, solceller, biosensorer, og endda kræftbehandlinger.

Plasmoner er stærkt påvirket af geometrien af ​​deres værtsmaterialer, hvilket gør dem meget tunbare til forskellige applikationer. Imidlertid, det var ikke klart, hvordan plasmoner opfører sig i et ekstremt tilfælde:når materialer kun er et par atomer tykke.

Det internationale forskerhold bestående af Felipe da Jornada og Steven Louie fra LBNL ved University of California, Berkeley, og Lede Xian og Ángel Rubio fra MPSD, som er baseret på Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), ønskede at kaste nyt lys over egenskaberne af plasmoner i disse romaner, atomisk tynde materialer.

Ved at bruge parameterfrie kvanteberegninger, de fandt ud af, at plasmoner opfører sig på en ejendommelig måde i alle atom tynde materialer. Dette var oprindeligt en overraskelse for forfatterne:"Lærebogsfysik siger, at plasmoner i bulkmaterialer opfører sig på én måde, og i strengt todimensionelle materialer, på en anden måde. Men i modsætning til disse forenklede modeller, plasmoner i alt ægte , atomisk tynde materialer opfører sig alligevel anderledes og har tendens til at være meget mere lokaliserbare i rummet, " siger Felipe Jornada, som nu er baseret på Stanford University.

Årsagen til denne forskel, Steven Louie hævder, er det "i ægte atomisk tynde materialer, alle de andre elektroner, der ikke er ledende og oscillerende, kan screene disse plasmoner, hvilket fører til en fundamentalt anderledes spredningsrelation for disse ophidselser. "

Andre nøgleresultater af deres forskning er, at plasmonerne i systemer som monolag TaS ₂ kan forblive stabile i lange tider (~ 2 ps) og er praktisk talt dispersionsfrie for bølgevektorer, som almindeligvis anvendes i visse eksperimenter. Dette indikerer, at plasmoner i atomisk tynde materialer kan lokaliseres i det virkelige rum med tilgængelige eksperimentelle teknikker og kunne øge lysintensiteten væsentligt med en faktor på mere end 10 ⁷ .

Angel Rubio, direktøren for MPSD's teoriafdeling, siger:"Disse resultater er relevante for mange applikationer, fra at fremme fotokatalytiske reaktioner til biosensing og enkeltmolekylespektroskopi."