Laboratoire sonde la limite moléculaire de la plasmonique

Anonim

Les chercheurs de l'Université Rice explorent les limites physiques des états électroniques excités appelés plasmons en les étudiant dans des molécules organiques de moins de 50 atomes.

Les plasmons sont des oscillations dans le plasma des électrons libres qui tourbillonnent constamment à la surface des matériaux conducteurs comme les métaux. Dans certains nanomatériaux, une couleur spécifique de la lumière peut résonner avec le plasma et faire perdre aux électrons de leur identité individuelle et se déplacer en une seule dans des ondes rythmiques. Le Laboratoire de nanophotonique (LANP) de Rice a lancé une liste croissante de technologies plasmoniques pour des applications aussi variées que le verre à changement de couleur, la détection moléculaire, le diagnostic et le traitement du cancer, l'optoélectronique, la collecte d'énergie solaire et la photocatalyse.

Présentant des reportages en ligne dans les Actes de l'Académie nationale des sciences, les scientifiques du projet LANP ont détaillé les résultats d'une étude expérimentale et théorique de deux ans sur des plasmons dans trois différents hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Contrairement aux plasmons de nanoparticules métalliques relativement grandes, que l’on peut généralement décrire avec la théorie électromagnétique classique comme les équations de Maxwell, la rareté des atomes dans les HAP produit des plasmons qui ne peuvent être compris que par la mécanique quantique. la designer Naomi Halas, la directrice du LANP et le chercheur principal du projet.

"Ces HAP sont essentiellement des restes de graphène qui contiennent cinq ou six noyaux de benzène condensés entourés d'un périmètre d'atomes d'hydrogène", a déclaré Halas. "Il y a si peu d'atomes dans chacun que l'ajout ou la suppression d'un seul électron change radicalement leur comportement électronique."

L'équipe de Halas avait expérimentalement vérifié l'existence de plasmons moléculaires dans plusieurs études antérieures. Mais une étude associant côte à côte des perspectives théoriques et expérimentales était nécessaire, a déclaré Luca Bursi, co-auteur de l’étude, associé de recherche postdoctoral et physicien théoricien du groupe de recherche co-concepteur et co-auteur de l’étude Peter Nordlander.

"Les excitations moléculaires sont une omniprésence dans la nature et très bien étudiées, en particulier pour les HAP neutres, qui ont été considérés comme la norme des excitations non plasmoniques dans le passé", a déclaré Bursi. "Compte tenu de ce que l'on sait déjà sur les HAP, ils constituaient un choix idéal pour approfondir les propriétés des excitations plasmoniques dans des systèmes aussi petits que des molécules réelles, qui représentent une frontière de la plasmonique."

Co-auteur principal Kyle Chapkin, Ph.D. "La plasmonique moléculaire est un nouveau domaine à l’interface entre la plasmonique et la chimie moléculaire, qui évolue rapidement. Lorsque la plasmonique atteint l’échelle moléculaire, nous perdons toute distinction nette entre ce qui constitue un plasmon et ce qui ne fonctionne pas. Nous devons trouver une nouvelle justification pour expliquer ce régime, qui était l’une des principales motivations de cette étude. "

Dans leur état natif, les HAP étudiés - anthanthrène, benzo (ghi) pérylène et pérylène - sont neutres en matière de charge et ne peuvent être excités dans un état plasmonique par les longueurs d'onde visibles de la lumière utilisées dans les expériences de Chapkin. Sous leur forme anionique, les molécules contiennent un électron supplémentaire qui modifie leur "état fondamental" et les rend actives dans le spectre visible. En excitant à la fois les formes natives et anioniques des molécules et en comparant précisément leur comportement au relâchement, Chapkin et Bursi ont établi que les formes anioniques supportaient des plasmons moléculaires dans le spectre visible.

La clé, a déclaré Chapkin, était d'identifier un certain nombre de similitudes entre le comportement des particules plasmoniques connues et les HAP anioniques. En faisant correspondre les échelles de temps et les modes pour les comportements de relaxation, l'équipe LANP a construit une image d'une dynamique caractéristique des excitations plasmoniques à faible énergie dans les HAP anioniques.

"Dans les molécules, toutes les excitations sont des excitations moléculaires, mais certains états excités montrent des caractéristiques qui nous permettent de faire un parallèle avec les excitations plasmoniques bien établies dans les nanostructures métalliques", a déclaré Bursi.

"Cette étude offre une fenêtre sur le comportement parfois surprenant des excitations collectives dans les systèmes quantiques à quelques atomes", a déclaré Halas. «Ce que nous avons appris ici aidera notre laboratoire et d’autres à mettre au point des approches quantiques-plasmoniques pour le verre à changement de couleur ultrarapide, l’optoélectronique à échelle moléculaire et l’optique non linéaire induite par le plasmon.

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