La capacidad de controlar las respuestas ópticas resueltas en el tiempo de nanoestructuras plasmónicas híbridas fue demostrada por un equipo dirigido por científicos del Grupo de Nanofotónica en el Centro de Materiales a Nanoescala, incluidos colaboradores de la División de Ciencia de Materiales de Argonne. Universidad Emory, y la Universidad de Ohio.

Se observaron cambios anormalmente fuertes en las respuestas temporales y espectrales ultrarrápidas dependiendo de la geometría y la composición de los nanosistemas, y la longitud de onda de excitación. El equipo observó una gran contribución ultrarrápida a la señal transitoria en nanoestructuras plasmónicas con puntos calientes. Los esfuerzos de modelado muestran que la intensidad de esta contribución se correlaciona con la eficiencia de la generación de cargas superficiales altamente excitadas en las nanoestructuras. El gran componente ultrarrápido se atribuye a la generación eficiente de electrones plasmónicos calientes en puntos calientes. El estudio desarrolla y demuestra los principios para generar electrones energéticos utilizando nanoestructuras plasmónicas especialmente diseñadas que se pueden utilizar en las áreas de fotocatálisis solar, fotodetectores y dispositivos no lineales.

La interacción luz-materia en nanosistemas metálicos se rige por la oscilación colectiva de sus electrones de superficie, llamados plasmones. Después de la excitación, los plasmones en nanopartículas metálicas son absorbidos por los electrones metálicos a través de transiciones entre bandas e intrabanda creando una distribución no térmica de electrones. Los electrones excitados se equilibran a través de interacciones electrón-electrón creando una distribución de electrones calientes en unos pocos cientos de femtosegundos (fs), seguido de una relajación adicional mediante la dispersión de electrones-fonones en una escala de tiempo de unos pocos picosegundos (ps). En el dominio espectral, los electrones excitados inducen cambios en las resonancias plasmónicas de las partículas modificando la constante dieléctrica del metal.

Estos resultados proporcionan un camino para ajustar la respuesta ultrarrápida de las estructuras de nanopartículas diseñadas para un tiempo y una respuesta óptica deseados. Este trabajo desarrolló los principios para generar plasmones y se puede utilizar en una variedad de aplicaciones, incluida la fotocatálisis, fotodetectores y dispositivos no lineales. Las capacidades de CNM incluyeron fabricación, espectroscopia ultrarrápida, espectroscopia de extinción, y modelado molecular (COMSOL).