ห้องปฏิบัติการทดลองระดับโมเลกุลของ plasmonics

Anonim

นักวิจัยของ Rice University กำลังตรวจสอบขอบเขตทางกายภาพของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่ตื่นเต้นซึ่งเรียกว่า plasmons โดยการศึกษาในโมเลกุลอินทรีย์ที่มีอะตอมน้อยกว่า 50 อะตอม

พลาสม่าคือการสั่นของพลาสมาของอิเล็กตรอนอิสระซึ่งหมุนวนไปทั่วพื้นผิวของวัสดุที่เป็นตัวนำเช่นโลหะ ในบางวัสดุนาโนสีที่เฉพาะเจาะจงของแสงสามารถสะท้อนกับพลาสม่าและทำให้อิเล็กตรอนภายในสูญเสียอัตลักษณ์ของแต่ละบุคคลและเคลื่อนย้ายไปเป็นหนึ่งในคลื่นจังหวะ ห้องปฏิบัติการนาโนสำหรับนาโนพอโตนิคส์ (LANP) ของนาซ่าได้บุกเบิกเทคโนโลยี plasmonic สำหรับการใช้งานหลากหลายรูปแบบเช่นแก้วเปลี่ยนสีการตรวจจับโมเลกุลการวินิจฉัยโรคมะเร็งและการรักษา optoelectronics การเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์และการฉายแสง

รายงานแบบออนไลน์ใน รายงานของ National Academy of Sciences นักวิจัยของ LANP ระบุรายละเอียดเกี่ยวกับผลการศึกษาทดลองและทฤษฎีของ plasmons สองปีในสารไฮโดรคาร์บอนอะโรเมติกไฮโดรคาร์บอน 3 ชนิดที่แตกต่างกัน (PAHs) ซึ่งแตกต่างจาก plasmons ในอนุภาคขนาดใหญ่ของโลหะซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบดั้งเดิมเช่นสมการของแมกซ์เวลล์การขาดแคลนอะตอมของ PAHs ทำให้ plasmons สามารถเข้าใจได้ในแง่ของกลไกกลศาสตร์ควอนตัมกล่าวว่าการศึกษาร่วมกับผู้เขียนและ co- นักออกแบบ Naomi Halas ผู้อำนวยการ LANP และนักวิจัยชั้นนำของโครงการกล่าว

Halas กล่าวว่า "เหล่า PAHs เป็นแก่นของกราไฟท์ที่มีห้าหรือหกวงเบนซินที่หลอมละลายล้อมรอบด้วยปริมาตรของอะตอมของไฮโดรเจน "มีอะตอมเพียงเล็กน้อยในแต่ละอันที่เพิ่มหรือลบแม้แต่อิเล็กตรอนตัวเดียวจะเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ของพวกมัน"

ทีม Halas ได้ทดลองยืนยันการมีอยู่ของ plasmons โมเลกุลในการศึกษาก่อนหน้านี้ แต่การตรวจสอบที่รวมมุมมองทางทฤษฎีและการทดลองกันและกันเป็นสิ่งจำเป็นผู้ร่วมวิจัย Luca Bursi นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตและนักฟิสิกส์ทฤษฎีในกลุ่มวิจัยของผู้ร่วมออกแบบและผู้ร่วมเขียน Peter Nordlander กล่าว

Bursi กล่าวว่า "ความตื่นเต้นแบบโมเลกุลมีลักษณะแพร่หลายในธรรมชาติและได้รับการศึกษาเป็นอย่างดีโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ PAHs ที่เป็นกลางซึ่งถือได้ว่าเป็นมาตรฐานของความตื่นเต้นแบบไม่ใช้ plasmonic ในอดีต "ให้เท่าไหร่รู้เกี่ยวกับ PAHs พวกเขาเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการตรวจสอบเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติของ plasmonic excitations ในระบบที่มีขนาดเล็กเป็นโมเลกุลที่เกิดขึ้นจริงซึ่งเป็นตัวแทนของชายแดน plasmonics."

ผู้ร่วมเขียนบทนำ Kyle Chapkin, Ph.D. นักศึกษาสาขาฟิสิกส์ประยุกต์ในกลุ่มวิจัย Halas กล่าวว่า "plasmonics ระดับโมเลกุลเป็นพื้นที่ใหม่ที่เชื่อมโยงระหว่าง plasmonics กับเคมีโมเลกุลซึ่งพัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อ plasmonics ถึงระดับโมเลกุลเราจะสูญเสียความแตกต่างอย่างเห็นได้ชัดในสิ่งที่เป็น plasmon และสิ่งที่ไม่ได้เราจำเป็นต้องค้นหาเหตุผลใหม่ในการอธิบายระบบการปกครองนี้ซึ่งเป็นหนึ่งในแรงจูงใจหลักสำหรับการศึกษาครั้งนี้ "

ในประเทศพื้นเมืองของพวกเขา PAHs ที่ได้รับการศึกษา - anthanthrene, benzo (ghi) perylene และ perylene - เป็นกลางค่าใช้จ่ายและไม่สามารถตื่นเต้นในสถานะของ plasmonic โดยความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ของแสงที่ใช้ในการทดลองของ Chapkin ในรูปแบบ anionic ของพวกเขาโมเลกุลมีอิเล็กตรอนเพิ่มเติมซึ่งจะเปลี่ยนสถานะของพวกเขา "พื้นดิน" และทำให้พวกเขาใช้งาน plasmonically ในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ โดยน่าตื่นเต้นทั้งรูปแบบของอะตอมและ anionic ของโมเลกุลและเปรียบเทียบอย่างแม่นยำว่าพวกเขาประพฤติตามที่พวกเขาผ่อนคลายลงสู่พื้นดินของพวกเขารัฐ Chapkin และ Bursi สร้างกรณีที่เป็นของแข็งที่รูปแบบ anionic สนับสนุน plasons โมเลกุลในสเปกตรัมที่มองเห็นได้

กุญแจสำคัญ Chapkin กล่าวว่ากำลังระบุจำนวนของความคล้ายคลึงกันระหว่างพฤติกรรมของอนุภาค plasmonic ที่ทราบและ PAHs anionic ทีมงาน LANP ได้สร้างภาพพลวัตที่มีลักษณะเฉพาะของการกระตุ้นด้วยพลาสมาพลังงานต่ำใน PAHs anionic โดยจับคู่ช่วงเวลาและโหมดต่างๆเพื่อการผ่อนคลาย

"ในโมเลกุลความตื่นเต้นทั้งหมดคือความตื่นเต้นแบบโมเลกุล แต่เลือกสถานะที่ตื่นเต้นมีลักษณะบางอย่างที่ช่วยให้เราสามารถวาดคู่ขนานกับความตื่นเต้นของ plasmonic ที่สร้างไว้อย่างดีในโครงสร้างนาโนที่เป็นโลหะ" Bursi กล่าว

Halas กล่าวว่า "การศึกษาครั้งนี้มีหน้าต่างเกี่ยวกับพฤติกรรมที่น่าแปลกใจในบางครั้งของการตื่นเต้นแบบรวมในระบบควอนตัมแบบไม่กี่อะตอม" "สิ่งที่เราได้เรียนรู้ที่นี่จะช่วยห้องทดลองและคนอื่น ๆ ของเราในการพัฒนาวิธีการควอนตัม - พลอสติกสำหรับแก้วที่เปลี่ยนสีได้อย่างรวดเร็วออพติกอิเลคทรอนิคส์ระดับโมเลกุลและเลนส์ opti plasmon ที่ไม่ใช่เชิงเส้น"

menu
menu