Alla som någonsin har varit i Grand Canyon kan relatera till att ha starka känslor av att vara nära en av naturens kanter. Liknande, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har upptäckt att nanopartiklar av guld verkar ovanligt när de är nära kanten på en enatoms tjock kolskiva, kallas grafen. Detta kan få stora konsekvenser för utvecklingen av nya sensorer och kvantenheter.

Denna upptäckt gjordes möjlig med ett nyligen etablerat ultrasnabbt elektronmikroskop (UEM) vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility. UEM möjliggör visualisering och undersökning av fenomen i nanoskala och på tidsramar på mindre än en biljondels sekund. Denna upptäckt kan göra ett stänk inom det växande området plasmonics, som innebär att ljus träffar en materialyta och utlöser vågor av elektroner, kända som plasmoniska fält.

I åratal, forskare har strävat efter utveckling av plasmoniska enheter med ett brett spektrum av tillämpningar – från kvantinformationsbehandling till optoelektronik (som kombinerar ljusbaserade och elektroniska komponenter) till sensorer för biologiska och medicinska ändamål. Att göra så, de kopplar tvådimensionella material med tjocklek på atomnivå, som grafen, med metallpartiklar i nanostorlek. Att förstå det kombinerade plasmoniska beteendet hos dessa två olika typer av material kräver att man förstår exakt hur de är kopplade.

I en färsk studie från Argonne, forskare använde ultrasnabb elektronmikroskopi för att titta direkt på kopplingen mellan guldnanopartiklar och grafen.

"Ytplasmoner är ljusinducerade elektronoscillationer på ytan av en nanopartikel eller vid gränsytan mellan en nanopartikel och ett annat material, " sa Argonne nanoforskare Haihua Liu. "När vi lyser ett ljus på nanopartikeln, det skapar ett kortlivat plasmoniskt fält. De pulserade elektronerna i vår UEM interagerar med detta kortlivade fält när de två överlappar varandra, och elektronerna antingen får eller förlorar energi. Sedan, vi samlar in de elektroner som får energi med hjälp av ett energifilter för att kartlägga de plasmoniska fältfördelningarna runt nanopartikeln."

När man studerar guldnanopartiklarna, Liu och hans kollegor upptäckte ett ovanligt fenomen. När nanopartikeln satt på ett platt ark av grafen, det plasmoniska fältet var symmetriskt. Men när nanopartikeln var placerad nära en grafenkant, det plasmoniska fältet koncentrerades mycket starkare nära kantområdet.

"Det är ett anmärkningsvärt nytt sätt att tänka på hur vi kan manipulera laddning i form av ett plasmoniskt fält och andra fenomen med hjälp av ljus på nanoskala, " sa Liu. "Med ultrasnabba möjligheter, det går inte att säga vad vi kan se när vi justerar olika material och deras egenskaper."

Hela denna experimentella process, från stimulering av nanopartikeln till detektion av plasmonfältet, inträffar på mindre än några hundra kvadrilliondelar av en sekund.

"CNM är unik när det gäller att inrymma en UEM som är öppen för användaråtkomst och som kan göra mätningar med nanometer rumslig upplösning och tidsupplösning under pikosekunder, ", sa CNM-direktören Ilke Arslan. "Att ha förmågan att ta sådana mätningar inom ett så kort tidsfönster öppnar upp för undersökningen av ett stort antal nya fenomen i icke-jämviktstillstånd som vi inte har haft möjlighet att undersöka tidigare. Vi är glada över att kunna tillhandahålla denna förmåga till det internationella användarsamfundet."

Den förståelse som uppnås med avseende på kopplingsmekanismen för detta nanopartikel-grafensystem borde vara nyckeln till den framtida utvecklingen av spännande nya plasmoniska enheter.

Ett papper baserat på studien, "Visualisering av plasmoniska kopplingar med hjälp av ultrasnabb elektronmikroskopi, " dök upp i 21 juni-upplagan av Nanobokstäver . Förutom Liu och Arslan, ytterligare författare inkluderar Argonnes Thomas Gage, Richard Schaller och Stephen Gray. Prem Singh och Amit Jaiswal från Indian Institute of Technology bidrog också, liksom Jau Tang från Wuhan University och Sang Tae Park of IDES, Inc.