Ögonblicksbild av en beräkning som visar ett långsamt rörligt plasmonvågpaket exciterat på monolager TaS2. Plasmonvågspaketet är mycket lokaliserat i det verkliga rymden även vid ~1 ps efter det att det skapats med en ultrasnabb laserpuls kopplad till en atomkraftsmikroskopspets. Kredit:Felipe da Jornada
Forskare från MPSD och Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i USA har upptäckt en betydande ny grundläggande typ av kvantelektronisk oscillation, eller plasmon, i atomärt tunna material. Deras arbete har nu publicerats i Naturkommunikation . Det har potentiella konsekvenser för nya avbildningstekniker och fotokemiska reaktioner på nanoskala.
För nästan sjuttio år sedan, forskare visade att elektroner i material kunde upprätthålla vågliknande utbredningssvängningar, känd som plasmoner. Nu för tiden, det finns ett levande fält av plasmonik som studerar dessa elektroniska svängningar, med applikationer som att skapa snabbare datorchips, solceller, biosensorer, och även cancerbehandlingar.
Plasmoner påverkas starkt av deras värdmaterials geometri, vilket gör dem mycket inställbara för olika applikationer. Dock, det var inte klart hur plasmoner beter sig i ett extremfall:när material bara är ett par atomer tjocka.
Det internationella forskarteamet som består av Felipe da Jornada och Steven Louie från LBNL vid University of California, Berkeley, och Lede Xian och Ángel Rubio från MPSD, som är baserad på Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), ville kasta nytt ljus över egenskaperna hos plasmoner i dessa romaner, atomtunna material.
Genom att använda parameterfria kvantberäkningar, de fann att plasmoner beter sig på ett märkligt sätt i Allt atomärt tunna material. Detta var från början en överraskning för författarna:"Lärobokens fysik säger att plasmoner i bulkmaterial beter sig på ett sätt, och i strikt tvådimensionella material, på ett annat sätt. Men till skillnad från dessa förenklade modeller, plasmoner i alla verklig , atomärt tunna material beter sig ändå annorlunda och tenderar att vara mycket mer lokaliserbara i rymden, säger Felipe Jornada, som nu är baserad på Stanford University.
Anledningen till denna skillnad, Steven Louie argumenterar, är det "in verklig atomärt tunna material, alla andra elektroner som inte är ledande och oscillerande kan screena dessa plasmoner, vilket leder till ett fundamentalt annorlunda spridningsförhållande för dessa excitationer. "
Andra viktiga resultat av deras forskning är att plasmonerna i system som monolager TaS 2 kan förbli stabila under långa tider (~ 2 ps) och är praktiskt taget dispersionsfria för vågvektorer som vanligtvis används i vissa experiment. Detta indikerar att plasmoner i atomärt tunna material är lokaliserbara i verkliga rymden med tillgängliga experimentella tekniker och kan avsevärt öka ljusets intensitet med en faktor på mer än 10 7 .
Ángel Rubio, chefen för MPSD:s teoriavdelning, säger:"Dessa resultat är relevanta för många tillämpningar, från att främja fotokatalytiska reaktioner till biosensing och enmolekylär spektroskopi. "
