Cette animation de simulations de mécanique quantique réalisée sur ordinateur montre les oscillations plasmoniques qui se produisent dans un anion anthanthrène lorsqu'il est excité avec un laser de longueur d'onde de 576 nanomètres. Les oscillations positives (bleu) et négatives (rouge) de la densité de charge induite du plasma électronique sont représentées au sommet de la structure moléculaire. Crédit : animation avec l'aimable autorisation de Luca Bursi/Rice University
Des chercheurs de l'Université Rice sondent les limites physiques d'états électroniques excités appelés plasmons en les étudiant dans des molécules organiques de moins de 50 atomes.
Les plasmons sont des oscillations dans le plasma d'électrons libres qui tourbillonnent constamment à la surface de matériaux conducteurs comme les métaux. Dans certains nanomatériaux, une couleur de lumière spécifique peut résonner avec le plasma et faire perdre aux électrons à l'intérieur leur identité individuelle et se déplacer comme un seul, en ondes rythmiques. Le Laboratoire Rice pour la nanophotonique (LANP) a été le pionnier d'une liste croissante de technologies plasmoniques pour des applications aussi diverses que le verre à changement de couleur, détection moléculaire, diagnostic et traitement du cancer, optoélectronique, captage d'énergie solaire et photocatalyse.
Signalement en ligne dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , Les scientifiques du LANP ont détaillé les résultats d'une étude expérimentale et théorique de deux ans sur les plasmons dans trois hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) différents. Contrairement aux plasmons dans les nanoparticules métalliques relativement grandes, qui peut généralement être décrit avec la théorie électromagnétique classique comme les équations de Maxwell, la rareté des atomes dans les HAP produit des plasmons qui ne peuvent être compris qu'en termes de mécanique quantique, a déclaré Naomi Halas, co-auteur et co-conceptrice de l'étude, le directeur du LANP et le chercheur principal du projet.
"Ces HAP sont essentiellement des fragments de graphène qui contiennent cinq ou six cycles benzéniques fusionnés entourés d'un périmètre d'atomes d'hydrogène, " a déclaré Halas. "Il y a si peu d'atomes dans chacun que l'ajout ou la suppression d'un seul électron modifie considérablement leur comportement électronique."
L'équipe de Halas avait vérifié expérimentalement l'existence de plasmons moléculaires dans plusieurs études précédentes. Mais une enquête alliant côte à côte des perspectives théoriques et expérimentales s'imposait, a déclaré Luca Bursi, co-auteur de l'étude, un associé de recherche postdoctoral et physicien théorique dans le groupe de recherche de l'étude co-concepteur et co-auteur Peter Nordlander.
"Les excitations moléculaires sont omniprésentes dans la nature et très bien étudiées, notamment pour les HAP neutres, qui ont été considérés comme la norme des excitations non plasmoniques dans le passé, " a déclaré Bursi. " Compte tenu de ce que l'on sait déjà sur les HAP, ils étaient un choix idéal pour une enquête plus approfondie sur les propriétés des excitations plasmoniques dans des systèmes aussi petits que des molécules réelles, qui représentent une frontière de la plasmonique."
Co-auteur principal Kyle Chapkin, un doctorat étudiant en physique appliquée dans le groupe de recherche Halas, mentionné, "La plasmonique moléculaire est un nouveau domaine à l'interface entre la plasmonique et la chimie moléculaire, qui évolue rapidement. Lorsque la plasmonique atteint l'échelle moléculaire, nous perdons toute distinction nette entre ce qui constitue un plasmon et ce qui n'en constitue pas. Nous devons trouver une nouvelle justification pour expliquer ce régime, qui était l'une des principales motivations de cette étude."
Dans leur état natal, les HAP étudiés :l'anthanthrène, le benzo[ghi]pérylène et le pérylène - sont de charge neutre et ne peuvent pas être excités dans un état plasmonique par les longueurs d'onde visibles de la lumière utilisées dans les expériences de Chapkin. Sous leur forme anionique, les molécules contiennent un électron supplémentaire, ce qui modifie leur "état fondamental" et les rend actifs plasmoniquement dans le spectre visible. En excitant à la fois les formes natives et anioniques des molécules et en comparant précisément comment elles se sont comportées lorsqu'elles se sont relâchées vers leurs états fondamentaux, Chapkin et Bursi ont construit un cas solide que les formes anioniques prennent en charge les plasmons moléculaires dans le spectre visible.
La clé, Chapkin a dit, a identifié un certain nombre de similitudes entre le comportement des particules plasmoniques connues et les HAP anioniques. En faisant correspondre à la fois les échelles de temps et les modes des comportements de relaxation, l'équipe du LANP a construit une image d'une dynamique caractéristique des excitations plasmoniques de basse énergie dans les HAP anioniques.
« Dans les molécules, toutes les excitations sont des excitations moléculaires, mais certains états excités présentent des caractéristiques qui nous permettent de faire un parallèle avec les excitations plasmoniques bien établies dans les nanostructures métalliques, " a déclaré Bursi.
"Cette étude offre une fenêtre sur le comportement parfois surprenant des excitations collectives dans les systèmes quantiques à quelques atomes, " a déclaré Halas. " Ce que nous avons appris ici aidera notre laboratoire et d'autres à développer des approches plasmoniques quantiques pour le verre à changement de couleur ultrarapide, l'optoélectronique à l'échelle moléculaire et l'optique non linéaire à médiation plasmonique."
