Plasmoner, som kan ses som moln av elektroner som oscillerar i ett metallnanokluster, skulle kunna fungera som antenner för att absorbera solljus mer effektivt än halvledare. Att förstå och manipulera dem är viktigt för deras potentiella användning i solceller, solcellsvattenklyvning, och solljus-inducerad bränsleproduktion från CO2.

Men i dessa applikationer, excitation av en enda partikel snarare än den kollektiva plasmonexcitationen behövs för att överföra elektroner en i taget till en elektrod och inducera önskade kemiska reaktioner. Efter att plasmonen exciteras av solljus, det inducerar excitationen av en partikel "heta bärare". Nu, för första gången, samspelet mellan plasmonläget och exciteringen av en enda partikel i ett litet metallkluster har simulerats direkt.

Forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) använde en numerisk algoritm i realtid, utvecklades vid Berkeley Lab i februari, att studera både plasmon och heta bärare inom samma ram. Det är avgörande för att förstå hur länge en partikel förblir exciterad, och om det finns energiåterflöde från varmbärare till plasmon. Den nya studien visar elektronrörelsen när den störs av ljus.

"Du måste överväga hur plasmonen kan ge sin energi till excitationer av enstaka partiklar. Människor har gjort detta analytiskt, men de tittade på det bulkliknande materialet och behandlade plasmonläget med klassisk beskrivning, " säger Lin-Wang Wang, senior forskare vid Berkeley Lab, som ledde detta arbete. "Vi har beskrivit både plasmon- och excitationskvantumet för singelpartiklar mekaniskt, och studerade nanopartiklar eftersom de ofta används i faktiska tillämpningar. Om du genererar en varm bärare i ett sådant nanosystem, det är lättare att överföra till den anslutna elektroden på grund av deras små storlekar." Hans beräkningar använde ljus för att excitera Ag55, ett metalliskt nanokluster med känd geometri, och visade beteendet hos plasmonen och exciteringen av en enda partikel.

Studien publicerades i en Naturkommunikation artikel med titeln "Samspel mellan plasmon och enpartikelexcitationer i ett metallnanokluster." Jie Ma och Zhi Wang, också från Berkeley Lab, och Lin-Wang Wang är författarna.

I simuleringarna, metalliska nanopartikelkluster reagerade tydligt på externt ljus, med laddning som "slossar" fram och tillbaka inom klustren. Dock, att rörelse kan orsakas både av en plasmon och av excitationer av enstaka partiklar. Tricket är att visa vilken som är vilken.

"Vi hittade ett sätt att särskilja dem genom deras olika oscillerande beteenden. Med den här metoden, fann vi att om en hetbärarexcitation är i samklang med plasmonoscillationen, då kan 90 % av plasmonenergin omvandlas till enstaka partikelenergi. Men om de inte är i harmoni, den totala energin kommer att gå fram och tillbaka mellan plasmonen och exikationen av en enda partikel, " förklarar Wang.

Jie Ma, en postdoc som är huvudförfattare till uppsatsen, tillägger att "enkelpartikelexcitationen är den kontinuerliga förändringen av elektronockupationen, men plasmonen är oscillationen av elektronockupationerna runt Fermi-energin ['marknivån' i elektronreservoaren]." När resonans byggs upp mellan de två, det mesta av energin överförs till den heta bäraren.

Konventionella grundtillståndsberäkningsmetoder kan inte användas för att studera system där elektroner har exciterats. Men med realtidssimuleringar, ett exciterat system kan modelleras med tidsberoende ekvationer som beskriver elektronernas rörelse i femtosekundens (kvadrilliondels sekund) tidsskalan.

En exciterad enskild partikel kan sjunka snabbt till ett lägre energitillstånd genom att sända ut en fonon, vilket är atomernas vibration. Det betyder att det inte längre är en varmbärare. Så småningom, alla heta bärare kommer att förlora sin energi, som elektroner och hål rekombinerar i ett metalliskt system. Men frågan är hur länge den heta bäraren kommer att förbli varm och kunna transporteras till en annan elektrod eller molekyl innan den kyls. Tidigare studier, som inte inkluderar kärnans rörelse, kan inte beskriva kylningsprocessen. Men Wangs simulering tyder på att i en liten nanostruktur kyls bäraren långsammare än i ett bulksystem.

"Här, vi simulerade isolerade nanopartiklar. Men om du lägger nanopartiklarna på något substrat, det kan vara riktigt intressant, " säger mamma. Det kommer att vara viktigt att förstå hur länge en varm bärare kan hålla sig varm.

Med kraftfulla beräkningsverktyg, dessa frågor kan nu besvaras och användas i utvecklingen av framtida plasmondrivna applikationer.