come un'onda, le oscillazioni collettive di elettroni note come "plasmoni" sono molto importanti per determinare le proprietà ottiche ed elettroniche dei metalli.

Nei materiali 2D atomicamente sottili, i plasmoni hanno un'energia più utile per le applicazioni, compresi sensori e dispositivi di comunicazione, rispetto ai plasmoni presenti nei metalli sfusi. Ma determinare per quanto tempo vivono i plasmoni e se la loro energia e altre proprietà possono essere controllate su scala nanometrica (miliardesimi di metro) è sfuggito a molti.

Ora, come riportato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , un team di ricercatori co-guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia, con il supporto del Centro per lo studio computazionale dei fenomeni a stato eccitato nei materiali energetici (C2SEPEM) del Dipartimento dell'Energia, ha osservato plasmoni di lunga durata in una nuova classe di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) conduttori chiamati "quasi cristalli 2-D".

Per capire come operano i plasmoni in cristalli quasi 2-D, i ricercatori hanno caratterizzato le proprietà sia degli elettroni non conduttivi che degli elettroni conduttivi in ​​un monostrato del disolfuro di tantalio TMD. Studi precedenti hanno esaminato solo gli elettroni conduttori. "Abbiamo scoperto che era molto importante includere attentamente tutte le interazioni tra entrambi i tipi di elettroni, " ha affermato il direttore di C2SEPEM Steven Louie, che ha condotto lo studio. Louie detiene anche titoli come scienziato senior della facoltà nella Divisione di scienze dei materiali presso il Berkeley Lab e professore di fisica presso l'UC Berkeley.

I ricercatori hanno sviluppato nuovi sofisticati algoritmi per calcolare le proprietà elettroniche del materiale, comprese le oscillazioni plasmoniche con lunghezze d'onda lunghe, "poiché questo era un collo di bottiglia con i precedenti approcci computazionali, ", ha affermato l'autore principale Felipe da Jornada, che era un ricercatore post-dottorato nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab al momento dello studio. Jornada è attualmente assistente professore in scienza dei materiali e ingegneria presso la Stanford University.

Con grande sorpresa dei ricercatori, i risultati dei calcoli eseguiti dal supercomputer Cori presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab hanno rivelato che i plasmoni in TMD quasi 2-D sono molto più stabili, fino a circa 2 picosecondi, o 2 trilionesimi di secondo, rispetto a quanto si pensasse in precedenza.

I loro risultati suggeriscono anche che i plasmoni generati da TMD quasi 2-D potrebbero aumentare l'intensità della luce di oltre 10 milioni di volte, aprendo le porte alla chimica rinnovabile (reazioni chimiche innescate dalla luce), o l'ingegneria di materiali elettronici che possono essere controllati dalla luce.

Negli studi futuri, i ricercatori intendono studiare come sfruttare gli elettroni altamente energetici rilasciati da tali plasmoni al momento del decadimento, e se possono essere usati per catalizzare reazioni chimiche.