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  • A qualcuno piace caldo:simulazione di eccitazioni di singole particelle

    L'energia immagazzinata nel plasmone e la singola particella (vettore caldo), quando l'energia di eccitazione della singola particella non è in sintonia con l'energia di eccitazione del plasmone. L'oscillazione tra queste due modalità di eccitazione è chiamata oscillazione di Rabi. Credito:Berkeley Lab

    plasmoni, che possono essere pensati come nuvole di elettroni che oscillano all'interno di un nanocluster metallico, potrebbero fungere da antenne per assorbire la luce solare in modo più efficiente rispetto ai semiconduttori. Comprenderli e manipolarli è importante per il loro potenziale utilizzo nel fotovoltaico, scissione dell'acqua della cella solare, e la produzione di carburante indotta dalla luce solare da CO2.

    Ma in queste applicazioni, è necessaria l'eccitazione di una singola particella piuttosto che l'eccitazione collettiva del plasmone per trasferire gli elettroni uno alla volta a un elettrodo e indurre le reazioni chimiche desiderate. Dopo che il plasmone è eccitato dalla luce solare, induce l'eccitazione della singola particella "portatori caldi". Ora, per la prima volta, l'interazione tra la modalità plasmonica e l'eccitazione di una singola particella all'interno di un piccolo ammasso metallico è stata simulata direttamente.

    I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno utilizzato un algoritmo numerico in tempo reale, sviluppato al Berkeley Lab a febbraio, studiare sia il plasmone che il portatore caldo nello stesso quadro. Questo è fondamentale per capire per quanto tempo una particella rimane eccitata, e se c'è un riflusso di energia dal vettore caldo al plasmone. Il nuovo studio mostra il movimento dell'elettrone quando è perturbato dalla luce.

    "Devi considerare come il plasmone può dare la sua energia alle eccitazioni di singole particelle. Le persone lo hanno fatto analiticamente, ma hanno esaminato il materiale simile alla massa e hanno trattato la modalità plasmonica usando la descrizione classica, "dice Lin-Wang Wang, scienziato senior presso il Berkeley Lab, che ha condotto questo lavoro. "Abbiamo descritto sia l'eccitazione del plasmone che l'eccitazione di una singola particella in modo quantistico, e studiato le nanoparticelle perché sono spesso utilizzate in applicazioni reali. Se generi un vettore caldo in un tale nanosistema, è più facile da trasferire all'elettrodo collegato a causa delle loro piccole dimensioni." I suoi calcoli usavano la luce per eccitare Ag55, un nanocluster metallico con geometria nota, e mostrò il comportamento del plasmone e l'eccitazione della singola particella.

    Cambiamenti di densità di carica, "slaccia" da un lato all'altro all'interno della nanoparticella. L'immagine è la densità di carica al tempo, con la densità di carica dello stato fondamentale sottratta. Credito:Berkeley Lab

    Lo studio è stato pubblicato in a Comunicazioni sulla natura documento intitolato "Interazione tra plasmoni ed eccitazioni a particella singola in un nanocluster metallico". Jie Ma e Zhi Wang, anche da Berkeley Lab, e Lin-Wang Wang sono gli autori.

    Nelle simulazioni, cluster di nanoparticelle metalliche hanno risposto chiaramente alla luce esterna, con carica 'sloshing' avanti e indietro all'interno dei cluster. Però, quel movimento può essere causato sia da un plasmone che da eccitazioni di singole particelle. Il trucco è mostrare quale è quale.

    "Abbiamo trovato un modo per distinguerli dai loro diversi comportamenti oscillanti. Usando questo metodo, abbiamo scoperto che se l'eccitazione di un portatore caldo è in sintonia con l'oscillazione del plasmone, allora il 90% dell'energia del plasmone può essere convertito nell'energia della singola particella. Ma se sono stonate, l'energia totale andrà avanti e indietro tra il plasmone e l'essicazione della singola particella, " spiega Wang.

    Jie Ma, un postdoc che è l'autore principale del documento, aggiunge che "l'eccitazione della singola particella è il cambiamento continuo dell'occupazione dell'elettrone, ma il plasmone è l'oscillazione delle occupazioni degli elettroni attorno all'energia di Fermi [livello 'terreno' del serbatoio di elettroni]." Quando la risonanza si accumula tra i due, la maggior parte dell'energia si trasferisce al vettore caldo.

    I metodi computazionali convenzionali dello stato fondamentale non possono essere utilizzati per studiare sistemi in cui gli elettroni sono stati eccitati. Ma usando simulazioni in tempo reale, un sistema eccitato può essere modellato con equazioni dipendenti dal tempo che descrivono il movimento degli elettroni nella scala temporale del femtosecondo (quadrillionesimo di secondo).

    Una singola particella eccitata può scendere rapidamente a uno stato energetico inferiore emettendo un fonone, che è la vibrazione degli atomi. Ciò significa che non è più un vettore caldo. Infine, tutti i vettori caldi perderanno la loro energia, come elettroni e lacune si ricombinano in un sistema metallico. Ma la domanda è per quanto tempo il vettore caldo rimarrà caldo e in grado di essere trasportato su un altro elettrodo o molecola prima che si raffreddi. Studi precedenti, che non includono il movimento dei nuclei, non può descrivere il processo di raffreddamento. Ma la simulazione di Wang suggerisce che in una piccola nanostruttura il vettore si raffredda più lentamente che in un sistema di massa.

    "Qui, abbiamo simulato nanoparticelle isolate. Ma se metti le nanoparticelle su un substrato, potrebbe essere davvero interessante, " dice Ma. Sarà importante capire per quanto tempo un vettore caldo può rimanere caldo.

    Con potenti strumenti di calcolo, queste domande possono ora essere risolte e utilizzate nello sviluppo di future applicazioni guidate da plasmoni.


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