I ricercatori del Dipartimento di Chimica della Carnegie Mellon University hanno trovato un modo per controllare la durata degli stati quantistici dei nanocluster d'oro di tre ordini di grandezza, che potrebbe portare a miglioramenti nelle tecnologie delle celle solari e della fotocatalisi. Il loro studio è pubblicato nel numero del 18 aprile di Scienza .

Gli stati quantistici eccitati si verificano quando la luce viene assorbita da una particella e l'energia di quella luce viene temporaneamente immagazzinata all'interno della particella, rendendo la sua energia superiore al suo stato fondamentale. L'energia decade rapidamente e può essere dispersa sotto forma di calore nell'arco di un nanosecondo, o un miliardesimo di secondo. L'estensione di questo stato quantistico potrebbe fornire ai ricercatori più tempo e opportunità per sfruttare l'energia immagazzinata.

Il professore di chimica della Carnegie Mellon Rongchao Jin è famoso in tutto il mondo per lo sviluppo di nanoparticelle d'oro di dimensioni precise. In questa estensione del suo lavoro, ricercatore post-dottorato Meng Zhou e Ph.D. lo studente Tatsuya Higaki, chi sono i co-primi autori del paper, studiato nanocluster d'oro atomicamente precisi contenenti tra 30 e 38 atomi. Hanno alterato le strutture dei cluster riorganizzando gli atomi in configurazioni esotiche e proteggendoli con un ligando di chiusura.

I ricercatori hanno misurato la durata degli stati quantistici dei nanocluster utilizzando la spettroscopia risolta nel tempo a femtosecondi e nanosecondi per scattare istantanee dei nanocluster dal momento in cui hanno assorbito energia dalla luce, in questo caso un impulso laser a femtosecondi, fino a quando non hanno rilasciato l'energia. Collaboratori presso l'Università della California, Riverside ha confermato i risultati utilizzando i calcoli della teoria della funzione di densità per analizzare gli orbitali molecolari dei nanocluster.

Hanno scoperto che un nanocluster d'oro da 30 atomi, con struttura esagonale compatta (hcp), aveva una durata quantistica di un nanosecondo. Ma un nanocluster d'oro da 38 atomi con una struttura cubica centrata sul corpo (bcc) ha avuto una durata molto più lunga di 4,7 microsecondi. L'estensione della durata di tre magnitudini offre ai ricercatori tutto il tempo per estrarre l'energia luminosa assorbita dai nanocluster, una scoperta che ha implicazioni significative.

"La strategia di manipolare la durata dello stato eccitato da molto breve a molto lunga è entusiasmante. La durata quantistica eccezionalmente lunga di 4,7 microsecondi è paragonabile a quella del silicio sfuso, che viene utilizzato per le celle solari commerciali, " ha detto Jin. "Dovrebbe darci abbastanza tempo per estrarre in modo efficiente l'energia in circuiti esterni come una corrente elettronica senza perdere troppa energia per il calore."

La durata quantistica su misura può essere utilizzata anche per aumentare l'efficienza della fotocatalisi basata sulla luce visibile utilizzata per convertire l'accumulo di energia solare in sostanze chimiche, come convertire metanolo ed etanolo dall'anidride carbonica.