Los físicos desarrollaron una forma de determinar las propiedades electrónicas de las películas delgadas de oro después de que interactúan con la luz. Comunicaciones de la naturaleza publicó el nuevo método, lo que se suma a la comprensión de las leyes fundamentales que gobiernan la interacción de los electrones y la luz.

"Asombrosamente, hasta ahora ha habido formas muy limitadas de determinar qué sucede exactamente con los materiales después de que los iluminamos, "dice Hayk Harutyunyan, profesor asistente de física en la Universidad de Emory y autor principal de la investigación. "Nuestro hallazgo puede allanar el camino para mejoras en dispositivos como sensores ópticos y células fotovoltaicas".

Desde paneles solares hasta cámaras y teléfonos móviles, hasta ver con nuestros ojos, la interacción de fotones de luz con átomos y electrones es omnipresente. "El fenómeno óptico es un proceso tan fundamental que lo damos por sentado, y, sin embargo, no se comprende completamente cómo interactúa la luz con los materiales, "Dice Harutyunyan.

Un obstáculo para comprender los detalles de estas interacciones es su complejidad. Cuando la energía de un fotón de luz se transfiere a un electrón en un material absorbente de luz, el fotón se destruye y el electrón se excita de un nivel a otro. Pero tantos fotones están involucrados átomos y electrones, y el proceso ocurre tan rápido, que el modelado de laboratorio del proceso es computacionalmente desafiante.

Para el artículo de Nature Communications, los físicos comenzaron con un sistema de material relativamente simple — capas de oro ultrafinas — y realizaron experimentos con él.

"No usamos potencia computacional bruta, "Dice Harutyunyan." Comenzamos con datos experimentales y desarrollamos un modelo analítico y teórico que nos permitió usar lápiz y papel para decodificar los datos ".

Harutyunyan y Manoj Manjare, un becario postdoctoral en su laboratorio, diseñó y realizó los experimentos. Stephen Gray, Gary Wiederrecht y Tal Heilpern, del Laboratorio Nacional de Argonne, crearon las herramientas matemáticas necesarias. Los físicos de Argonne también trabajaron en el modelo teórico, junto con Alexander Govorov de la Universidad de Ohio.

Para los experimentos, las nanocapas de oro se colocaron en ángulos particulares. Entonces la luz brilló sobre el oro en dos, pulsos secuenciales. "Estos pulsos de luz láser fueron muy breves en el tiempo, miles de miles de millones de veces más cortos que un segundo, "Dice Harutyunyan." El primer pulso fue absorbido por el oro. El segundo pulso de luz midió los resultados de esa absorción, mostrando cómo los electrones cambiaron de un estado de tierra a un estado excitado ".

Típicamente, el oro absorbe la luz en frecuencias verdes, reflejando todos los demás colores del espectro, lo que hace que el metal parezca amarillo. En forma de nanocapas, sin embargo, el oro puede absorber la luz en longitudes de onda más largas, en la parte infrarroja del espectro.

"En un cierto ángulo de excitación, pudimos inducir transiciones electrónicas que no eran solo una frecuencia diferente sino un proceso físico diferente, "Dice Harutyunyan." Pudimos rastrear la evolución de ese proceso a lo largo del tiempo y demostrar por qué y cómo ocurren esas transiciones ".

El uso del método para comprender mejor las interacciones subyacentes a la absorción de luz por un material puede conducir a formas de ajustar y gestionar estas interacciones.

Células de energía solar fotovoltaica, por ejemplo, actualmente solo son capaces de absorber un pequeño porcentaje de la luz que les llega. Los sensores ópticos utilizados en biomedicina y los fotocatalizadores utilizados en química son otros ejemplos de dispositivos que podrían mejorarse con el nuevo método.

Mientras que la Comunicaciones de la naturaleza el papel ofrece una prueba de concepto, los investigadores planean continuar refinando el uso del método con oro mientras también experimentan con una variedad de otros materiales.

"Por último, queremos demostrar que este es un método amplio que podría aplicarse a muchos materiales útiles, "Dice Harutyunyan.