L'énergie stockée dans le plasmon et la particule unique (porteur chaud), lorsque l'énergie d'excitation d'une seule particule n'est pas en accord avec l'énergie d'excitation du plasmon. L'oscillation entre ces deux modes d'excitation est appelée oscillation de Rabi. Crédit :Berkeley Lab
Plasmons, qui peuvent être considérés comme des nuages d'électrons qui oscillent au sein d'un nanocluster métallique, pourraient servir d'antennes pour absorber la lumière du soleil plus efficacement que les semi-conducteurs. Les comprendre et les manipuler est important pour leur utilisation potentielle dans le photovoltaïque, séparation d'eau de cellule solaire, et la production de carburant induite par la lumière du soleil à partir de CO2.
Mais dans ces applications, l'excitation d'une seule particule plutôt que l'excitation collective du plasmon est nécessaire pour transférer les électrons un à la fois vers une électrode et induire les réactions chimiques souhaitées. Une fois le plasmon excité par la lumière du soleil, il induit l'excitation d'une seule particule « porteurs chauds ». Maintenant, pour la première fois, l'interaction entre le mode plasmon et l'excitation d'une particule unique au sein d'un petit amas métallique a été simulée directement.
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont utilisé un algorithme numérique en temps réel, développé au Berkeley Lab en février, étudier à la fois le plasmon et le porteur chaud dans le même cadre. C'est essentiel pour comprendre combien de temps une particule reste excitée, et s'il y a un reflux d'énergie du porteur chaud vers le plasmon. La nouvelle étude montre le mouvement des électrons lorsqu'ils sont perturbés par la lumière.
"Vous devez considérer comment le plasmon peut donner son énergie à des excitations de particules uniques. Les gens l'ont fait analytiquement, mais ils ont examiné le matériau en vrac et traité le mode plasmon en utilisant une description classique, " dit Lin-Wang Wang, scientifique senior au Berkeley Lab, qui a dirigé ce travail. "Nous avons décrit mécaniquement le plasmon et le quantum d'excitation à une seule particule, et les nanoparticules étudiées car elles sont souvent utilisées dans des applications réelles. Si vous générez un porteur chaud dans un tel nanosystème, il est plus facile à transférer à l'électrode connectée en raison de leur petite taille. » Ses calculs utilisaient la lumière pour exciter Ag55, un nanocluster métallique de géométrie connue, et a montré le comportement du plasmon et de l'excitation d'une seule particule.
Changements de densité de charge, « sloshes » d'un côté à l'autre au sein de la nanoparticule. L'image est la densité de charge au moment, avec la densité de charge de l'état fondamental soustraite. Crédit :Berkeley Lab
L'étude a été publiée dans un Communication Nature article intitulé « Interplay Between Plasmon and Single-Particle Excitations in a Metal Nanocluster. » Jie Ma et Zhi Wang, également de Berkeley Lab, et Lin-Wang Wang en sont les auteurs.
Dans les simulations, les amas de nanoparticules métalliques ont clairement répondu à la lumière externe, avec des « sloshing » de charge dans les deux sens au sein des clusters. Cependant, ce mouvement peut être provoqué à la fois par un plasmon et par des excitations de particules uniques. L'astuce est de montrer qui est quoi.
"Nous avons trouvé un moyen de les distinguer par leurs différents comportements oscillants. En utilisant cette méthode, nous avons trouvé que si une excitation de porteur chaud est en accord avec l'oscillation du plasmon, alors 90 % de l'énergie du plasmon peut être convertie en énergie de particule unique. Mais s'ils sont désaccordés, l'énergie totale va aller et venir entre le plasmon et l'exication de particule unique, " explique Wang.
Jie Ma, un post-doctorant qui est l'auteur principal de l'article, ajoute que "l'excitation d'une seule particule est le changement continu de l'occupation des électrons, mais le plasmon est l'oscillation des occupations d'électrons autour de l'énergie de Fermi [niveau 'sol' du réservoir d'électrons]." Quand la résonance s'accumule entre les deux, la plupart des transferts d'énergie au porteur chaud.
Les méthodes conventionnelles de calcul de l'état fondamental ne peuvent pas être utilisées pour étudier des systèmes dans lesquels des électrons ont été excités. Mais en utilisant des simulations en temps réel, un système excité peut être modélisé avec des équations dépendantes du temps qui décrivent le mouvement des électrons dans l'échelle de temps femtoseconde (quadrillionième de seconde).
Une seule particule excitée peut chuter rapidement à un état d'énergie inférieur en émettant un phonon, qui est la vibration des atomes. Cela signifie qu'il n'est plus un porteur chaud. Finalement, tous les porteurs chauds perdront leur énergie, que les électrons et les trous se recombinent dans un système métallique. Mais la question est de savoir combien de temps le porteur chaud restera chaud et capable de se transporter vers une autre électrode ou molécule avant qu'il ne soit refroidi. Études précédentes, qui n'incluent pas le mouvement des noyaux, ne peut pas décrire le processus de refroidissement. Mais la simulation de Wang suggère que dans une petite nanostructure, le support refroidit plus lentement que dans un système en vrac.
"Ici, nous avons simulé des nanoparticules isolées. Mais si vous mettez les nanoparticules sur un substrat, ça peut être très intéressant, " dit Ma. Il sera important de comprendre combien de temps un porteur chaud peut rester chaud.
Avec des outils de calcul puissants, ces questions peuvent désormais trouver une réponse et être utilisées dans le développement de futures applications pilotées par plasmons.
