Forskare från Carnegie Mellon Universitets kemiska institution har hittat ett sätt att kontrollera livslängden för kvanttillstånden för guldnanokluster med tre storleksordningar, vilket kan leda till förbättringar av solcells- och fotokatalysteknologier. Deras studie publiceras i 18 april -numret av Vetenskap .

Upprymda kvanttillstånd uppstår när ljus absorberas av en partikel och energin från det ljuset lagras tillfälligt i partikeln, vilket gör energin högre än grundtillståndet. Energin försvinner snabbt och kan gå förlorad som värme under en nanosekund, eller en miljarddel av en sekund. Att förlänga detta kvanttillstånd kan ge forskare mer tid och möjlighet att utnyttja den lagrade energin.

Carnegie Mellon kemiprofessor Rongchao Jin är världsberömd för att utveckla exakt nanopartiklar av guld. I denna förlängning av hans arbete, postdoktoral forskare Meng Zhou och doktorand student Tatsuya Higaki, som är första författare till tidningen, studerat atomnogiska guldnanokluster som innehåller mellan 30 och 38 atomer. De förändrade strukturerna i kluster genom att omarrangera atomerna till exotiska konfigurationer och skydda dem med en täckande ligand.

Forskarna mätte livslängden för nanoklusternas kvanttillstånd med hjälp av femtosekund och nanosekund tidsupplöst spektroskopi för att ta ögonblicksbilder av nanoklusterna från den tid då de absorberade energi från ljus, i detta fall en femtosekund laserpuls, tills de släppte energin. Medarbetare vid University of California, Riverside bekräftade resultaten med hjälp av beräkningar av densitetsfunktionsteori för att analysera nanoklusternas molekylära orbitaler.

De fann att en 30-atom guld nanokluster, med en sexkantig, förpackad (hcp) struktur, hade en kvantlivstid på en nanosekund. Men en 38-atom guld nanokluster med en kroppscentrerad kubisk (bcc) struktur hade en mycket längre livslängd på 4,7 mikrosekunder. Att förlänga livslängden med tre storheter ger forskare gott om tid att extrahera den absorberade ljusenergin från nanoklusterna - ett fynd som har betydande konsekvenser.

"Strategin att manipulera livslängden för exciterat tillstånd från mycket kort till mycket lång är spännande. Den exceptionellt långa kvantlivslängden på 4,7 mikrosekunder är jämförbar med den för bulk kisel, som används för kommersiella solceller, "sa Jin." Det borde ge oss tillräckligt med tid att effektivt extrahera energin till externa kretsar som en elektronisk ström utan att förlora för mycket energi för att värma. "

Den skräddarsydda kvantlivslängden kan också användas för att öka effektiviteten hos synligt ljusbaserad fotokatalys som används för att omvandla lagring av solenergi till kemikalier, såsom omvandling av metanol och etanol från koldioxid.