Molekulare Grenze der Plasmonik für Laborsonden

Anonim

Forscher der Rice University erforschen die physikalischen Grenzen angeregter elektronischer Zustände, die man Plasmonen nennt, indem sie sie in organischen Molekülen mit weniger als 50 Atomen untersuchen.

Plasmonen sind Oszillationen im Plasma freier Elektronen, die ständig über die Oberfläche leitfähiger Materialien wie Metalle wirbeln. In einigen Nanomaterialien kann eine bestimmte Lichtfarbe mit dem Plasma in Resonanz treten und bewirken, dass die Elektronen darin ihre individuellen Identitäten verlieren und sich in rhythmischen Wellen bewegen. Rices Labor für Nanophotonik (LANP) hat eine wachsende Liste plasmonischer Technologien für Anwendungen entwickelt, die so verschieden sind wie farbänderndes Glas, molekulare Wahrnehmung, Krebsdiagnose und -behandlung, Optoelektronik, Solarenergiegewinnung und Photokatalyse.

Die LANP-Wissenschaftler berichteten online in den Proceedings der National Academy of Sciences über die Ergebnisse einer zweijährigen experimentellen und theoretischen Studie von Plasmonen in drei verschiedenen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs). Anders als die Plasmonen in relativ großen Metallnanopartikeln, die typischerweise mit der klassischen elektromagnetischen Theorie wie den Maxwellschen Gleichungen beschrieben werden können, erzeugt der Mangel an Atomen in den PAHs Plasmonen, die nur in der Quantenmechanik verstanden werden können, so Co-Autor und Co-Autor. Designerin Naomi Halas, die Direktorin von LANP und die leitende Forscherin des Projekts.

"Diese PAHs sind im Wesentlichen Graphenfragmente, die fünf oder sechs kondensierte Benzolringe enthalten, die von einem Perimeter von Wasserstoffatomen umgeben sind", sagte Halas. "Es gibt so wenige Atome in jedem, durch die das Hinzufügen oder Entfernen eines einzigen Elektrons ihr elektronisches Verhalten dramatisch verändert."

Halas 'Team hatte experimentell in mehreren früheren Studien die Existenz von molekularen Plasmonen nachgewiesen. Doch eine Untersuchung, die theoretische und experimentelle Perspektiven miteinander verband, sei notwendig, sagte Studienkoautor Luca Bursi, Postdoktorand und theoretischer Physiker in der Arbeitsgruppe Co-Designer und Co-Autor Peter Nordlander.

"Molekulare Anregungen sind eine Allgegenwart in der Natur und sehr gut untersucht, insbesondere für neutrale PAHs, die in der Vergangenheit als Standard für nicht-plasmonische Anregungen angesehen wurden", sagte Bursi. "Angesichts dessen, was bereits über PAK bekannt ist, waren sie eine ideale Wahl für die weitere Untersuchung der Eigenschaften von plasmonischen Anregungen in Systemen, die so klein sind wie die tatsächlichen Moleküle, die eine Grenze der Plasmonik darstellen."

Lead Co-Autor Kyle Chapkin, ein Ph.D. Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/…2/index.html An der Schnittstelle zwischen Plasmonik und molekularer Chemie entwickelt sich die molekulare Plasmonik: "Wenn Plasmonik die molekulare Skala erreicht, verlieren wir jede scharfe Unterscheidung, was ein Plasmon ist und was nicht. Wir müssen eine neue Begründung finden, um dieses Regime zu erklären, was eine der Hauptmotivationen für diese Studie war. "

In ihrem natürlichen Zustand sind die untersuchten PAHs - Anthanthren, Benzo (ghi) perylen und Perylen - ladungsneutral und können durch die sichtbaren Wellenlängen des in Chapkins Experimenten verwendeten Lichts nicht in einen plasmonischen Zustand angeregt werden. In ihrer anionischen Form enthalten die Moleküle ein zusätzliches Elektron, das ihren "Grundzustand" verändert und sie plasmonisch aktiv im sichtbaren Spektrum macht. Indem Chapkin und Bursi sowohl die nativen als auch die anionischen Formen der Moleküle anregten und genau verglichen, wie sie sich verhielten, als sie zu ihren Grundzuständen zurückfanden, bauten sie einen festen Fall auf, dass die anionischen Formen molekulare Plasmonen im sichtbaren Spektrum unterstützen.

Der Schlüssel, sagte Chapkin, identifiziere eine Reihe von Ähnlichkeiten zwischen dem Verhalten von bekannten plasmonischen Teilchen und den anionischen PAHs. Durch die Kombination von Zeitskalen und Modi für Relaxationsverhalten hat das LANP-Team ein Bild einer charakteristischen Dynamik von plasmatischen Erregungen niedriger Energie in den anionischen PAHs aufgebaut.

"In Molekülen sind alle Anregungen molekulare Anregungen, aber ausgewählte angeregte Zustände zeigen einige Eigenschaften, die uns erlauben, eine Parallele zu den gut etablierten plasmonischen Anregungen in Metallnanostrukturen zu ziehen", sagte Bursi.

"Diese Studie bietet ein Fenster zum manchmal überraschenden Verhalten von kollektiven Anregungen in Quantensystemen mit wenigen Atomen", sagte Halas. "Was wir hier gelernt haben, wird unserem Labor und anderen bei der Entwicklung von quantenplasmonischen Ansätzen für ultraschnelles farbveränderndes Glas, molekulare Optoelektronik und nichtlineare plasmonvermittelte Optik helfen."

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