At lave kvantebølger i ultratynde materialer

Bølgelignende, Kollektive oscillationer af elektroner kendt som "plasmoner" er meget vigtige for at bestemme metallers optiske og elektroniske egenskaber.

I atomisk tynde 2-D materialer, plasmoner har en energi, der er mere nyttig til applikationer, herunder sensorer og kommunikationsenheder, end plasmoner, der findes i bulkmetaller. Men at bestemme, hvor længe plasmoner lever, og om deres energi og andre egenskaber kan kontrolleres på nanoskala (milliarddele af en meter), har unddraget mange.

Nu, som rapporteret i journalen Naturkommunikation , et team af forskere ledet af Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) - med støtte fra Department of Energy's Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM) - har observeret langlivede plasmoner i en ny klasse af ledende overgangsmetal dichalcogenid (TMD) kaldet "kvasi 2-D krystaller."

For at forstå, hvordan plasmoner fungerer i kvasi 2-D krystaller, forskerne karakteriserede egenskaberne af både ikke-ledende elektroner og ledende elektroner i et monolag af TMD-tantaldisulfidet. Tidligere undersøgelser har kun set på ledende elektroner. "Vi opdagede, at det var meget vigtigt at omhyggeligt inkludere alle interaktioner mellem begge typer elektroner, " sagde C2SEPEM-direktør Steven Louie, der ledede undersøgelsen. Louie har også titler som senior fakultetsforsker i Materials Sciences Division ved Berkeley Lab og professor i fysik ved UC Berkeley.

Forskerne udviklede sofistikerede nye algoritmer til at beregne materialets elektroniske egenskaber, inklusive plasmonoscillationer med lange bølgelængder, "da dette var en flaskehals med tidligere beregningsmetoder, " sagde hovedforfatter Felipe da Jornada, som var postdoc-forsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division på tidspunktet for undersøgelsen. Jornada er i øjeblikket assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford University.

Til forskernes overraskelse, resultaterne fra beregninger udført af Cori-supercomputeren ved Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) afslørede, at plasmoner i kvasi 2-D TMD'er er meget mere stabile - så længe som cirka 2 picosekunder, eller 2 billioner af et sekund - end tidligere antaget.

Deres resultater tyder også på, at plasmoner genereret af kvasi 2-D TMD'er kan øge lysintensiteten med mere end 10 millioner gange, åbne døren for vedvarende kemi (kemiske reaktioner udløst af lys), eller konstruktion af elektroniske materialer, der kan styres af lys.

I fremtidige undersøgelser, forskerne planlægger at undersøge, hvordan man kan udnytte de meget energiske elektroner, der frigives af sådanne plasmoner ved henfald, og hvis de kan bruges til at katalysere kemiske reaktioner.