Los investigadores de la Universidad de Rice están investigando los límites físicos de los estados electrónicos excitados llamados plasmones estudiándolos en moléculas orgánicas con menos de 50 átomos.

Los plasmones son oscilaciones en el plasma de electrones libres que giran constantemente a través de la superficie de materiales conductores como los metales. En algunos nanomateriales, un color específico de luz puede resonar con el plasma y hacer que los electrones en su interior pierdan sus identidades individuales y se muevan como uno solo, en ondas rítmicas. Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) ha sido pionero en una lista creciente de tecnologías plasmónicas para aplicaciones tan diversas como el vidrio que cambia de color, detección molecular, diagnóstico y tratamiento del cáncer, optoelectrónica, captación de energía solar y fotocatálisis.

Informar en línea en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Los científicos de LANP detallaron los resultados de un estudio teórico y experimental de dos años de plasmones en tres hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) diferentes. A diferencia de los plasmones en nanopartículas metálicas relativamente grandes, que normalmente se puede describir con la teoría electromagnética clásica como las ecuaciones de Maxwell, la escasez de átomos en los PAH produce plasmones que solo pueden entenderse en términos de mecánica cuántica, dijo la coautora del estudio y co-diseñadora Naomi Halas, el director de LANP y el investigador principal del proyecto.

"Estos PAH son esencialmente fragmentos de grafeno que contienen cinco o seis anillos de benceno fusionados rodeados por un perímetro de átomos de hidrógeno, Halas dijo:"Hay tan pocos átomos en cada uno que agregar o eliminar incluso un solo electrón cambia drásticamente su comportamiento electrónico".

El equipo de Halas había verificado experimentalmente la existencia de plasmones moleculares en varios estudios anteriores. Pero se necesitaba una investigación que combinara una al lado de la otra perspectivas teóricas y experimentales, dijo el coautor del estudio, Luca Bursi, investigador asociado postdoctoral y físico teórico en el grupo de investigación del co-diseñador y coautor del estudio Peter Nordlander.

"Las excitaciones moleculares son una ubicuidad en la naturaleza y están muy bien estudiadas, especialmente para PAH neutros, que han sido considerados como el estándar de excitaciones no plasmónicas en el pasado, ", Dijo Bursi." Dado lo mucho que ya se sabe sobre los PAH, eran una opción ideal para una mayor investigación de las propiedades de las excitaciones plasmónicas en sistemas tan pequeños como moléculas reales, que representan una frontera de plasmónicos ".

El coautor principal, Kyle Chapkin, un doctorado estudiante de física aplicada en el grupo de investigación Halas, dijo, "La plasmónica molecular es una nueva área en la interfaz entre la plasmónica y la química molecular, que está evolucionando rápidamente. Cuando los plasmónicos alcanzan la escala molecular, perdemos cualquier distinción clara entre lo que constituye un plasmón y lo que no. Necesitamos encontrar un nuevo fundamento para explicar este régimen, que fue una de las principales motivaciones de este estudio ".

En su estado natal, los PAH que se estudiaron:antantreno, benzo [ghi] perileno y perileno:son de carga neutra y no pueden excitarse a un estado plasmónico por las longitudes de onda visibles de luz utilizadas en los experimentos de Chapkin. En su forma aniónica, las moléculas contienen un electrón adicional, que altera su "estado fundamental" y los hace plasmónicamente activos en el espectro visible. Al excitar las formas nativa y aniónica de las moléculas y comparar con precisión cómo se comportaron cuando se relajaron de nuevo a sus estados fundamentales, Chapkin y Bursi construyeron un caso sólido de que las formas aniónicas sí soportan plasmones moleculares en el espectro visible.

La clave, Chapkin dijo:estaba identificando una serie de similitudes entre el comportamiento de las partículas plasmónicas conocidas y los PAH aniónicos. Al hacer coincidir las escalas de tiempo y los modos para los comportamientos de relajación, el equipo de LANP construyó una imagen de una dinámica característica de las excitaciones plasmónicas de baja energía en los PAH aniónicos.

"En moléculas, todas las excitaciones son excitaciones moleculares, pero los estados excitados seleccionados muestran algunas características que nos permiten trazar un paralelo con las excitaciones plasmónicas bien establecidas en nanoestructuras metálicas, "Dijo Bursi.

"Este estudio ofrece una ventana sobre el comportamiento a veces sorprendente de las excitaciones colectivas en sistemas cuánticos de pocos átomos, "Halas dijo." Lo que hemos aprendido aquí ayudará a nuestro laboratorio y a otros en el desarrollo de enfoques cuánticos-plasmónicos para vidrio de cambio de color ultrarrápido, optoelectrónica a escala molecular y óptica no lineal mediada por plasmones ".