Des chercheurs du département de chimie de l'Université Carnegie Mellon ont trouvé un moyen de contrôler la durée de vie des états quantiques des nanoclusters d'or de trois ordres de grandeur, ce qui pourrait conduire à des améliorations dans les technologies des cellules solaires et de la photocatalyse. Leur étude est publiée dans le numéro du 18 avril de Science .

Les états quantiques excités se produisent lorsque la lumière est absorbée par une particule et que l'énergie de cette lumière est temporairement stockée dans la particule, rendant son énergie supérieure à son état fondamental. L'énergie se désintègre rapidement et peut être perdue sous forme de chaleur en l'espace d'une nanoseconde, ou un milliardième de seconde. L'extension de cet état quantique pourrait donner aux chercheurs plus de temps et d'opportunités pour exploiter l'énergie stockée.

Le professeur de chimie Carnegie Mellon Rongchao Jin est mondialement connu pour le développement de nanoparticules d'or de taille précise. Dans ce prolongement de son œuvre, chercheur post-doctoral Meng Zhou et Ph.D. l'étudiant Tatsuya Higaki, qui sont co-premiers auteurs de l'article, ont étudié des nanoclusters d'or atomiquement précis contenant entre 30 et 38 atomes. Ils ont modifié les structures des clusters en réarrangeant les atomes dans des configurations exotiques et en les protégeant avec un ligand coiffant.

Les chercheurs ont mesuré la durée de vie des états quantiques des nanoclusters en utilisant une spectroscopie résolue en temps femtoseconde et nanoseconde pour prendre des instantanés des nanoclusters à partir du moment où ils ont absorbé l'énergie de la lumière, dans ce cas une impulsion laser femtoseconde, jusqu'à ce qu'ils libèrent l'énergie. Collaborateurs à l'Université de Californie, Riverside a confirmé les résultats en utilisant des calculs de la théorie de la fonction de densité pour analyser les orbitales moléculaires des nanoclusters.

Ils ont découvert qu'un nanocluster d'or de 30 atomes, avec une structure hexagonale compacte (hcp), avait une durée de vie quantique d'une nanoseconde. Mais un nanocluster d'or de 38 atomes avec une structure cubique centrée sur le corps (bcc) avait une durée de vie beaucoup plus longue de 4,7 microsecondes. L'extension de la durée de vie de trois magnitudes donne aux chercheurs suffisamment de temps pour extraire l'énergie lumineuse absorbée des nanoclusters, une découverte qui a des implications importantes.

"La stratégie de manipulation de la durée de vie à l'état excité de très courte à très longue est passionnante. La durée de vie quantique exceptionnellement longue de 4,7 microsecondes est comparable à celle du silicium massif, qui est utilisé pour les cellules solaires commerciales, " a déclaré Jin. " Cela devrait nous donner suffisamment de temps pour extraire efficacement l'énergie dans des circuits externes sous forme de courant électronique sans perdre trop d'énergie à chauffer. "

La durée de vie quantique adaptée peut également être utilisée pour augmenter l'efficacité de la photocatalyse à base de lumière visible utilisée pour convertir le stockage d'énergie solaire en produits chimiques, comme la conversion du méthanol et de l'éthanol à partir de dioxyde de carbone.