I ricercatori della Rice University stanno sondando i limiti fisici degli stati elettronici eccitati chiamati plasmoni studiandoli in molecole organiche con meno di 50 atomi.

I plasmoni sono oscillazioni nel plasma di elettroni liberi che turbinano costantemente sulla superficie di materiali conduttivi come i metalli. In alcuni nanomateriali, un colore specifico della luce può risuonare con il plasma e far sì che gli elettroni al suo interno perdano le loro identità individuali e si muovano come uno, in onde ritmiche. Il Laboratorio di Nanofotonica (LANP) di Rice ha aperto la strada a un elenco crescente di tecnologie plasmoniche per applicazioni diverse come il vetro che cambia colore, rilevamento molecolare, diagnosi e cura del cancro, optoelettronica, raccolta di energia solare e fotocatalisi.

Segnalazione online nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Gli scienziati di LANP hanno dettagliato i risultati di uno studio sperimentale e teorico di due anni sui plasmoni in tre diversi idrocarburi policiclici aromatici (IPA). A differenza dei plasmoni in nanoparticelle metalliche relativamente grandi, che può essere tipicamente descritto con la teoria elettromagnetica classica come le equazioni di Maxwell, la scarsità di atomi negli IPA produce plasmoni che possono essere compresi solo in termini di meccanica quantistica, ha affermato la coautrice e co-designer dello studio Naomi Halas, il direttore di LANP e il ricercatore capo del progetto.

"Questi IPA sono essenzialmente frammenti di grafene che contengono cinque o sei anelli di benzene fusi circondati da un perimetro di atomi di idrogeno, "Halas ha detto. "Ci sono così pochi atomi in ciascuno che l'aggiunta o la rimozione anche di un singolo elettrone cambia drasticamente il loro comportamento elettronico".

Il team di Halas aveva verificato sperimentalmente l'esistenza di plasmoni molecolari in diversi studi precedenti. Ma era necessaria un'indagine che mettesse insieme prospettive teoriche e sperimentali, ha detto il coautore dello studio Luca Bursi, un associato di ricerca post-dottorato e fisico teorico nel gruppo di ricerca del co-designer e coautore dello studio Peter Nordlander.

"Le eccitazioni molecolari sono un'ubiquità in natura e molto ben studiate, soprattutto per IPA neutri, che in passato sono state considerate lo standard delle eccitazioni non plasmoniche, ", ha detto Bursi. "Dato quanto si sa già sugli IPA, erano una scelta ideale per ulteriori indagini sulle proprietà delle eccitazioni plasmoniche in sistemi piccoli come molecole reali, che rappresentano una frontiera della plasmonica."

Co-autore principale Kyle Chapkin, un dottorato di ricerca studente di fisica applicata nel gruppo di ricerca Halas, disse, "La plasmonica molecolare è una nuova area all'interfaccia tra la plasmonica e la chimica molecolare, che è in rapida evoluzione. Quando la plasmonica raggiunge la scala molecolare, perdiamo ogni netta distinzione tra ciò che costituisce un plasmone e ciò che non lo fa. Dobbiamo trovare una nuova logica per spiegare questo regime, che è stata una delle principali motivazioni per questo studio."

Nel loro stato nativo, gli IPA che sono stati studiati:anthrene, benzo[ghi]perilene e perilene:sono carica neutra e non possono essere eccitati in uno stato plasmonico dalle lunghezze d'onda visibili della luce utilizzate negli esperimenti di Chapkin. Nella loro forma anionica, le molecole contengono un elettrone aggiuntivo, che altera il loro "stato fondamentale" e li rende plasmonicamente attivi nello spettro visibile. Eccitando sia la forma nativa che quella anionica delle molecole e confrontando con precisione come si sono comportate quando si sono rilassate di nuovo ai loro stati fondamentali, Chapkin e Bursi hanno costruito un caso solido che le forme anioniche supportano i plasmoni molecolari nello spettro visibile.

Il tasto, Chapkin ha detto, stava identificando una serie di somiglianze tra il comportamento delle particelle plasmoniche note e gli IPA anionici. Abbinando sia i tempi che le modalità per i comportamenti di rilassamento, il team LANP ha creato un quadro di una dinamica caratteristica delle eccitazioni plasmoniche a bassa energia negli IPA anionici.

"Nelle molecole, tutte le eccitazioni sono eccitazioni molecolari, ma gli stati eccitati selezionati mostrano alcune caratteristiche che ci permettono di tracciare un parallelo con le eccitazioni plasmoniche ben consolidate nelle nanostrutture metalliche, " ha detto Bursi.

"Questo studio offre una finestra sul comportamento a volte sorprendente delle eccitazioni collettive nei sistemi quantistici a pochi atomi, "Halas ha detto. "Quello che abbiamo imparato qui aiuterà il nostro laboratorio e altri nello sviluppo di approcci quantistici-plasmonici per il vetro che cambia colore ultraveloce, optoelettronica su scala molecolare e ottica non lineare mediata da plasmoni".