Istantanea di un calcolo che mostra un pacchetto di onde plasmoniche in lento movimento eccitato sul monostrato TaS2. Il pacchetto di onde plasmoniche è altamente localizzato nello spazio reale anche a ~ 1 ps dopo la sua creazione con un impulso laser ultraveloce accoppiato a una punta per microscopia a forza atomica. Credito:Felipe da Jornada
I ricercatori dell'MPSD e del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) negli Stati Uniti hanno scoperto un nuovo tipo fondamentale di oscillazione elettronica quantistica, o plasmone, in materiali atomicamente sottili. Il loro lavoro è stato ora pubblicato in Comunicazioni sulla natura . Ha potenziali implicazioni per nuove tecniche di imaging e reazioni fotochimiche su scala nanometrica.
Quasi settant'anni fa, gli scienziati hanno dimostrato che gli elettroni nei materiali possono sostenere oscillazioni propagantisi simili a onde, conosciuti come plasmoni. Oggi, c'è un campo vibrante di plasmonica che studia queste oscillazioni elettroniche, con applicazioni come la creazione di chip per computer più veloci, celle solari, biosensori, e persino trattamenti per la terapia del cancro.
I plasmoni sono fortemente influenzati dalla geometria dei loro materiali ospiti, che li rende molto sintonizzabili per diverse applicazioni. Però, non era chiaro come si comportano i plasmoni in un caso estremo:quando i materiali sono spessi solo un paio di atomi.
Il gruppo di ricerca internazionale composto da Felipe da Jornada e Steven Louie del LBNL dell'Università della California, Berkeley, e Lede Xian e Ángel Rubio del MPSD, che ha sede presso il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), voleva gettare nuova luce sulle proprietà dei plasmoni in questi romanzi, materiali atomicamente sottili.
Utilizzando calcoli quantistici senza parametri, hanno scoperto che i plasmoni si comportano in modo particolare in Tutti materiali atomicamente sottili. Questa è stata inizialmente una sorpresa per gli autori:"La fisica dei libri di testo dice che i plasmoni nei materiali sfusi si comportano in un modo, e in materiali rigorosamente bidimensionali, in un altro modo. Ma a differenza di questi modelli semplificati, plasmoni in tutto vero , i materiali atomicamente sottili si comportano diversamente e tendono ad essere molto più localizzabili nello spazio, "dice Felipe Jornada, che ora ha sede alla Stanford University.
Il motivo di questa differenza, Steven Louie sostiene, è che "in vero materiali atomicamente sottili, tutti gli altri elettroni che non sono conduttori e oscillanti possono schermare questi plasmoni, il che porta a una relazione di dispersione fondamentalmente diversa per queste eccitazioni".
Altri risultati chiave della loro ricerca sono che i plasmoni in sistemi come il monostrato TaS 2 possono rimanere stabili per lunghi periodi (~ 2 ps) e sono virtualmente privi di dispersione per i vettori d'onda comunemente usati in certi esperimenti. Ciò indica che i plasmoni in materiali atomicamente sottili sono localizzabili nello spazio reale con le tecniche sperimentali disponibili e potrebbero aumentare significativamente l'intensità della luce di un fattore superiore a 10 7 .
Angelo Rubio, il direttore del dipartimento di teoria del MPSD, afferma:"Questi risultati sono rilevanti per molte applicazioni, dalla promozione di reazioni fotocatalitiche al biosensore e alla spettroscopia a singola molecola".
