Vågliknande, kollektiva svängningar av elektroner som kallas "plasmoner" är mycket viktiga för att bestämma metals optiska och elektroniska egenskaper.

I atomtunna 2-D-material, plasmoner har en energi som är mer användbar för applikationer, inklusive sensorer och kommunikationsenheter, än plasmoner som finns i bulkmetaller. Men att avgöra hur länge plasmoner lever och huruvida deras energi och andra egenskaper kan kontrolleras på nanoskala (miljarddels meter) har gillat många.

Nu, enligt tidningen Naturkommunikation , ett team av forskare som leds av Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)-med stöd från Department of Energy's Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM)-har observerat långlivade plasmoner i en ny klass av ledande övergångsmetalldikalkogenid (TMD) kallad "kvasi 2-D-kristaller".

För att förstå hur plasmoner fungerar i kvasi 2-D-kristaller, forskarna kännetecknade egenskaperna hos både icke -ledande elektroner såväl som ledande elektroner i ett monoskikt av TMD -tantaldisulfid. Tidigare studier tittade bara på ledande elektroner. "Vi upptäckte att det var mycket viktigt att noggrant inkludera alla interaktioner mellan båda typerna av elektroner, "sa C2SEPEM -direktören Steven Louie, som ledde studien. Louie innehar också titlar som senior fakultetsvetare vid materialvetenskapsavdelningen vid Berkeley Lab och professor i fysik vid UC Berkeley.

Forskarna utvecklade sofistikerade nya algoritmer för att beräkna materialets elektroniska egenskaper, inklusive plasmonoscillationer med långa våglängder, "eftersom detta var en flaskhals med tidigare beräkningsmetoder, "sade huvudförfattaren Felipe da Jornada, som var postdoktor vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning vid tidpunkten för studien. Jornada är för närvarande biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University.

Till forskarnas förvåning, resultaten från beräkningar som utförts av Cori-superdatorn vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) avslöjade att plasmoner i kvasi 2-D TMD är mycket mer stabila-så länge som cirka 2 pikosekunder, eller 2 billioner av en sekund - än man tidigare trott.

Deras resultat tyder också på att plasmoner som genereras av kvasi 2-D TMD:er kan öka ljusintensiteten med mer än 10 miljoner gånger, öppna dörren för förnybar kemi (kemiska reaktioner som utlöses av ljus), eller konstruktion av elektroniska material som kan styras av ljus.

I framtida studier, forskarna planerar att undersöka hur man utnyttjar de mycket energiska elektronerna som frigörs av sådana plasmoner vid sönderfall, och om de kan användas för att katalysera kemiska reaktioner.