I fisici hanno sviluppato un modo per determinare le proprietà elettroniche dei sottili film d'oro dopo che interagiscono con la luce. Comunicazioni sulla natura pubblicato il nuovo metodo, che si aggiunge alla comprensione delle leggi fondamentali che governano l'interazione di elettroni e luce.

"Sorprendentemente, fino ad ora ci sono stati modi molto limitati per determinare cosa succede esattamente con i materiali dopo averli illuminati, "dice Hayk Harutyunyan, un assistente professore di fisica presso la Emory University e autore principale della ricerca. "La nostra scoperta potrebbe aprire la strada a miglioramenti in dispositivi come sensori ottici e celle fotovoltaiche".

Dai pannelli solari alle fotocamere e ai telefoni cellulari, al vedere con i nostri occhi, l'interazione dei fotoni della luce con gli atomi e gli elettroni è onnipresente. "Il fenomeno ottico è un processo così fondamentale che lo diamo per scontato, eppure non si comprende appieno come la luce interagisca con i materiali, "Harutyunyan dice.

Un ostacolo alla comprensione dei dettagli di queste interazioni è la loro complessità. Quando l'energia di un fotone luminoso viene trasferita a un elettrone in un materiale che assorbe la luce, l'ffotone viene distrutto e l'elettrone viene eccitato da un livello all'altro. Ma tanti fotoni, sono coinvolti atomi ed elettroni e il processo avviene così rapidamente che la modellazione di laboratorio del processo è computazionalmente impegnativa.

Per il documento Nature Communications, i fisici hanno iniziato con un sistema materiale relativamente semplice - strati d'oro ultrasottili - e hanno condotto esperimenti su di esso.

"Non abbiamo usato la potenza di calcolo bruta, " Harutyunyan dice. "Abbiamo iniziato con dati sperimentali e sviluppato un modello analitico e teorico che ci ha permesso di usare carta e penna per decodificare i dati".

Harutyunyan e Manoj Manjare, un borsista post-dottorato nel suo laboratorio, progettato e condotto gli esperimenti. Stefano Gray, Gary Wiederrecht e Tal Heilpern, dell'Argonne National Laboratory, hanno inventato gli strumenti matematici necessari. I fisici delle Argonne hanno lavorato anche sul modello teorico, insieme ad Alexander Govorov dell'Università dell'Ohio.

Per gli esperimenti, i nanostrati d'oro sono stati posizionati ad angoli particolari. La luce allora risplendette in due sull'oro, impulsi sequenziali. "Questi impulsi di luce laser erano molto brevi nel tempo:migliaia di miliardi di volte più brevi di un secondo, " Harutyunyan dice. "Il primo impulso è stato assorbito dall'oro. Il secondo impulso di luce misurò i risultati di quell'assorbimento, mostrando come gli elettroni sono cambiati da uno stato fondamentale a uno stato eccitato".

Tipicamente, l'oro assorbe la luce alle frequenze verdi, riflettendo tutti gli altri colori dello spettro, che fa apparire il metallo giallo. Sotto forma di nanostrati, però, l'oro può assorbire la luce a lunghezze d'onda più lunghe, nella parte infrarossa dello spettro.

"A un certo angolo di eccitazione, siamo stati in grado di indurre transizioni elettroniche che non erano solo una frequenza diversa ma un processo fisico diverso, " Harutyunyan afferma. "Siamo stati in grado di tracciare l'evoluzione di quel processo nel tempo e dimostrare perché e come avvengono queste transizioni".

L'utilizzo del metodo per comprendere meglio le interazioni alla base dell'assorbimento della luce da parte di un materiale può portare a modi per regolare e gestire queste interazioni.

Celle solari fotovoltaiche, ad esempio, sono attualmente in grado di assorbire solo una piccola percentuale della luce che li colpisce. I sensori ottici utilizzati in biomedicina e i fotocatalizzatori utilizzati in chimica sono altri esempi di dispositivi che potrebbero essere potenzialmente migliorati con il nuovo metodo.

Mentre il Comunicazioni sulla natura la carta offre una prova del concetto, i ricercatori hanno in programma di continuare a perfezionare l'uso del metodo con l'oro, sperimentando anche una gamma di altri materiali.

"In definitiva, vogliamo dimostrare che questo è un metodo ampio che potrebbe essere applicato a molti materiali utili, "Harutyunyan dice.