La energía almacenada en el plasmón y la partícula única (portador caliente), cuando la energía de excitación de una sola partícula no está en sintonía con la energía de excitación del plasmón. La oscilación entre estos dos modos de excitación se denomina oscilación Rabi. Crédito:Berkeley Lab
Plasmones, que pueden considerarse como nubes de electrones que oscilan dentro de un nanocluster metálico, podrían servir como antenas para absorber la luz solar de manera más eficiente que los semiconductores. Comprenderlos y manipularlos es importante para su uso potencial en energía fotovoltaica, división del agua de la célula solar, y producción de combustible inducida por la luz solar a partir de CO2.
Pero en estas aplicaciones, Se necesita la excitación de una sola partícula en lugar de la excitación colectiva del plasmón para transferir electrones de uno en uno a un electrodo e inducir las reacciones químicas deseadas. Después de que la luz solar excita el plasmón, induce la excitación de una sola partícula "portadores calientes". Ahora, por primera vez, la interacción entre el modo plasmón y la excitación de una sola partícula dentro de un pequeño grupo de metales se ha simulado directamente.
Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) utilizaron un algoritmo numérico en tiempo real, desarrollado en Berkeley Lab en febrero, para estudiar tanto el plasmón como el portador caliente dentro del mismo marco. Eso es fundamental para comprender cuánto tiempo permanece excitada una partícula, y si hay reflujo de energía del portador caliente al plasmón. El nuevo estudio muestra el movimiento de los electrones cuando es perturbado por la luz.
"Es necesario considerar cómo el plasmón puede dar su energía a las excitaciones de una sola partícula. La gente ha hecho esto analíticamente, pero miraron el material a granel y trataron el modo plasmón usando la descripción clásica, "dice Lin-Wang Wang, científico senior del laboratorio de Berkeley, quien dirigió este trabajo. "Hemos descrito tanto el plasmón como la excitación de una sola partícula de forma mecánica cuántica, y nanopartículas estudiadas porque a menudo se utilizan en aplicaciones reales. Si genera un portador caliente en un nanosistema de este tipo, es más fácil de transferir al electrodo conectado debido a sus pequeños tamaños ". Sus cálculos utilizaron luz para excitar Ag55, un nanocluster métrico con geometría conocida, y mostró el comportamiento del plasmón y la excitación de una sola partícula.
Cambios de densidad de carga, 'salpica' de un lado a otro dentro de la nanopartícula. La imagen es la densidad de carga en el momento, restando la densidad de carga del estado fundamental. Crédito:Berkeley Lab
El estudio fue publicado en un Comunicaciones de la naturaleza artículo titulado 'Interacción entre plasmones y excitaciones de una sola partícula en un nanocluster metálico'. Jie Ma y Zhi Wang, también de Berkeley Lab, y Lin-Wang Wang son los autores.
En las simulaciones, Los grupos de nanopartículas metálicas respondieron claramente a la luz externa, con carga 'chapoteando' hacia adelante y hacia atrás dentro de los grupos. Sin embargo, ese movimiento puede ser causado tanto por un plasmón como por excitaciones de una sola partícula. El truco es mostrar cuál es cuál.
"Encontramos una manera de distinguirlos por sus diferentes comportamientos oscilantes. Con este método, Descubrimos que si la excitación de un portador caliente está en sintonía con la oscilación del plasmón, entonces el 90% de la energía del plasmón se puede convertir en energía de una sola partícula. Pero si están desafinados, la energía total irá de un lado a otro entre el plasmón y la excitación de una sola partícula, "explica Wang.
Jie Ma, un postdoctorado que es el autor principal del artículo, añade que "la excitación de una sola partícula es el cambio continuo de la ocupación de los electrones, pero el plasmón es la oscilación de las ocupaciones de los electrones alrededor de la energía de Fermi [nivel 'básico' del depósito de electrones]. "Cuando la resonancia se acumula entre los dos, la mayor parte de la energía se transfiere al portador caliente.
Los métodos computacionales de estado fundamental convencionales no se pueden utilizar para estudiar sistemas en los que se han excitado electrones. Pero usando simulaciones en tiempo real, un sistema excitado puede modelarse con ecuaciones dependientes del tiempo que describen el movimiento de electrones en la escala de tiempo de femtosegundos (cuadrillonésima parte de un segundo).
Una sola partícula excitada puede caer rápidamente a un estado de menor energía emitiendo un fonón, que es la vibración de los átomos. Esto significa que ya no es un portador caliente. Finalmente, todos los portadores calientes perderán su energía, a medida que los electrones y los huecos se recombinan en un sistema metálico. Pero la pregunta es cuánto tiempo permanecerá caliente el portador caliente y podrá transportarse a otro electrodo o molécula antes de que se enfríe. Estudios previos, que no incluyen el movimiento de núcleos, no se puede describir el proceso de enfriamiento. Pero la simulación de Wang sugiere que en una pequeña nanoestructura el portador se enfría más lentamente que en un sistema a granel.
"Aquí, simulamos nanopartículas aisladas. Pero si pones las nanopartículas en algún sustrato, eso podría ser realmente interesante, ", dice Ma. Será importante comprender cuánto tiempo puede permanecer caliente un transportador caliente.
Con potentes herramientas computacionales, estas preguntas ahora se pueden responder y utilizar en el desarrollo de futuras aplicaciones impulsadas por plasmones.
