Laboratorieprober molekylær grænse for plasmonik

Forskere fra Rice University undersøger de fysiske grænser for ophidsede elektroniske tilstande kaldet plasmoner ved at studere dem i organiske molekyler med færre end 50 atomer.

Plasmoner er svingninger i plasmaet af frie elektroner, der konstant hvirvler hen over overfladen af ​​ledende materialer som metaller. I nogle nanomaterialer, en bestemt lysfarve kan resonere med plasmaet og få elektronerne inde i det til at miste deres individuelle identitet og bevæge sig som en, i rytmiske bølger. Rices laboratorium for nanofotonik (LANP) har været banebrydende på en voksende liste over plasmoniske teknologier til applikationer lige så forskellige som glasskiftende glas, molekylær sansning, kræftdiagnose og behandling, optoelektronik, opsamling af solenergi og fotokatalyse.

Rapportering online i Procedurer fra National Academy of Sciences , LANP-forskere detaljerede resultaterne af et toårigt eksperimentelt og teoretisk studie af plasmoner i tre forskellige polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er). I modsætning til plasmonerne i relativt store metal -nanopartikler, som typisk kan beskrives med klassisk elektromagnetisk teori som Maxwells ligninger, at manglen på atomer i PAH'erne producerer plasmoner, der kun kan forstås med hensyn til kvantemekanik, sagde studieforfatter og meddesigner Naomi Halas, direktøren for LANP og den ledende forsker på projektet.

"Disse PAH'er er i det væsentlige rester af grafen, der indeholder fem eller seks smeltede benzenringe omgivet af en omkreds af hydrogenatomer, "Halas sagde." Der er så få atomer i hver, at tilføjelse eller fjernelse af selv en enkelt elektron dramatisk ændrer deres elektroniske adfærd. "

Halas 'team havde eksperimentelt verificeret eksistensen af ​​molekylære plasmoner i flere tidligere undersøgelser. Men en undersøgelse, der kombinerede teoretiske og eksperimentelle perspektiver side om side var nødvendig, sagde studieforfatter Luca Bursi, en postdoktoral forskningsassistent og teoretisk fysiker i forskergruppen studiemeddesigner og medforfatter Peter Nordlander.

"Molekylære excitationer er en allestedsnærværende natur og meget velstuderede, især for neutrale PAH'er, som tidligere er blevet betragtet som standarden for ikke-plasmoniske excitationer, "Sagde Bursi." I betragtning af hvor meget man allerede ved om PAH'er, de var et ideelt valg til yderligere undersøgelse af egenskaberne ved plasmoniske excitationer i systemer så små som faktiske molekyler, som repræsenterer en grænse for plasmonik. "

Hovedmedforfatter Kyle Chapkin, en ph.d. studerende i anvendt fysik i Halas -forskergruppen, sagde, "Molekylær plasmonik er et nyt område i grænsefladen mellem plasmonik og molekylær kemi, som er i hastig udvikling. Når plasmonik når molekylær skala, vi mister enhver skarp sondring mellem, hvad der udgør en plasmon, og hvad der ikke gør det. Vi skal finde en ny begrundelse for at forklare dette regime, hvilket var en af ​​hovedmotiveringerne for denne undersøgelse. "

I deres hjemland, de PAH'er, der blev undersøgt - anthanthren, benzo [ghi] perylen og perylen-er ladningsneutrale og kan ikke spændes ind i en plasmonisk tilstand af de synlige bølgelængder af lys, der blev brugt i Chapkins eksperimenter. I deres anioniske form, molekylerne indeholder en ekstra elektron, som ændrer deres "grundtilstand" og gør dem plasmonisk aktive i det synlige spektrum. Ved at spændende både de native og anioniske former for molekylerne og sammenligne præcist, hvordan de opførte sig, da de slappede tilbage til deres grundtilstande, Chapkin og Bursi byggede en solid sag om, at de anioniske former understøtter molekylære plasmoner i det synlige spektrum.

Nøglen, Chapkin sagde, identificerede en række ligheder mellem adfærd for kendte plasmoniske partikler og de anioniske PAH'er. Ved at matche både tidsskalaer og tilstande til afslapningsadfærd, LANP-teamet opbyggede et billede af en karakteristisk dynamik ved lavenergi-plasmoniske excitationer i de anioniske PAH'er.

"I molekyler, alle excitationer er molekylære excitationer, men udvalgte ophidsede tilstande viser nogle karakteristika, der tillader os at tegne en parallel med de veletablerede plasmoniske excitationer i metal-nanostrukturer, "Sagde Bursi.

"Denne undersøgelse giver et vindue om den til tider overraskende adfærd ved kollektive ophidselser i få-atom kvante systemer, "Sagde Halas." Det, vi har lært her, vil hjælpe vores laboratorium og andre med at udvikle kvante-plasmoniske metoder til ultrahurtigt farveskiftende glas, optoelektronik i molekylær skala og ikke-lineær plasmon-medieret optik. "