Fysiker utvecklade ett sätt att bestämma de elektroniska egenskaperna hos tunna guldfilmer efter att de interagerat med ljus. Naturkommunikation publicerade den nya metoden, vilket ökar förståelsen av de grundläggande lagarna som styr interaktionen mellan elektroner och ljus.

"Förvånande, hittills har det varit mycket begränsade sätt att avgöra vad som exakt händer med material efter att vi lyser upp dem, "säger Hayk Harutyunyan, en biträdande professor i fysik vid Emory University och huvudförfattare till forskningen. "Vårt fynd kan bana väg för förbättringar av enheter som optiska sensorer och solceller."

Från solpaneler till kameror och mobiltelefoner - till att se med våra ögon - samspelet mellan fotoner av ljus med atomer och elektroner är allestädes närvarande. "Optiskt fenomen är en så grundläggande process att vi tar det för givet, och ändå är det inte helt förstått hur ljus interagerar med material, "Säger Harutyunyan.

Ett hinder för att förstå detaljerna i dessa interaktioner är deras komplexitet. När en ljusfotons energi överförs till en elektron i ett ljusabsorberande material, ffoten förstörs och elektronen exciteras från en nivå till en annan. Men så många fotoner, atomer och elektroner är involverade - och processen sker så snabbt - att laboratoriemodellering av processen är utmanande.

För Nature Communications -papper, fysikerna började med ett relativt enkelt materialsystem-ultratunna guldskikt-och utförde experiment på det.

"Vi använde inte brutal beräkningskraft, "Harutyunyan säger." Vi började med experimentella data och utvecklade en analytisk och teoretisk modell som gjorde att vi kunde använda penna och papper för att avkoda data. "

Harutyunyan och Manoj Manjare, en postdoktor i sitt labb, designat och genomfört experimenten. Stephen Gray, Gary Wiederrecht och Tal Heilpern - från Argonne National Laboratory - kom med de matematiska verktyg som behövs. Argonne -fysikerna arbetade också med den teoretiska modellen, tillsammans med Alexander Govorov från Ohio University.

För experimenten, nanolagren av guld placerades i särskilda vinklar. Ljus sken sedan på guldet i två, sekventiella pulser. "Dessa laserljuspulser var mycket korta - tusentals miljarder gånger kortare än en sekund, "Harutyunyan säger." Den första pulsen absorberades av guldet. Den andra ljuspulsen mätte resultaten av den absorptionen, visar hur elektronerna förändrades från en mark till ett exciterat tillstånd. "

Vanligtvis, guld absorberar ljus vid gröna frekvenser, som återspeglar alla andra färger i spektrumet, vilket får metallen att se gul ut. I form av nanolager, dock, guld kan absorbera ljus vid längre våglängder, i den infraröda delen av spektrumet.

"Vid en viss excitationsvinkel, vi kunde framkalla elektroniska övergångar som inte bara var en annan frekvens utan en annan fysisk process, "Harutyunyan säger." Vi kunde följa utvecklingen av den processen över tid och visa varför och hur dessa övergångar sker. "

Att använda metoden för att bättre förstå interaktionerna bakom ljusabsorption av ett material kan leda till sätt att ställa in och hantera dessa interaktioner.

Fotovoltaiska solenergiceller, till exempel, är för närvarande bara kapabla att absorbera en liten andel av ljuset som träffar dem. Optiska sensorer som används i biomedicin och fotokatalysatorer som används i kemi är andra exempel på enheter som potentiellt kan förbättras med den nya metoden.

Medan Naturkommunikation papper ger bevis på koncept, forskarna planerar att fortsätta förfina metodens användning med guld samtidigt som de experimenterar med en rad andra material.

"I sista hand, vi vill visa att detta är en bred metod som kan tillämpas på många användbara material, "Säger Harutyunyan.