Onduleux, les oscillations collectives d'électrons appelées "plasmons" sont très importantes pour déterminer les propriétés optiques et électroniques des métaux.

Dans des matériaux 2D atomiquement minces, les plasmons ont une énergie plus utile pour les applications, y compris les capteurs et les dispositifs de communication, que les plasmons trouvés dans les métaux en vrac. Mais déterminer combien de temps les plasmons vivent et si leur énergie et d'autres propriétés peuvent être contrôlées à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre) a échappé à beaucoup.

Maintenant, comme indiqué dans le journal Communication Nature , une équipe de chercheurs codirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, avec le soutien du Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM) du ministère de l'Énergie, a observé des plasmons à longue durée de vie. dans une nouvelle classe de dichalcogénure de métal de transition conducteur (TMD) appelés "cristaux quasi 2-D".

Pour comprendre le fonctionnement des plasmons dans des cristaux quasi 2-D, les chercheurs ont caractérisé les propriétés des électrons non conducteurs ainsi que des électrons conducteurs dans une monocouche de disulfure de tantale TMD. Les études précédentes ne portaient que sur la conduction des électrons. "Nous avons découvert qu'il était très important d'inclure soigneusement toutes les interactions entre les deux types d'électrons, " a déclaré Steven Louie, directeur du C2SEPEM, qui a dirigé l'étude. Louie détient également des titres de chercheur principal au sein de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et de professeur de physique à l'UC Berkeley.

Les chercheurs ont développé de nouveaux algorithmes sophistiqués pour calculer les propriétés électroniques du matériau, y compris les oscillations de plasmons avec de longues longueurs d'onde, "comme il s'agissait d'un goulot d'étranglement avec les approches de calcul précédentes, " a déclaré l'auteur principal Felipe da Jornada, qui était chercheur postdoctoral à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab au moment de l'étude. Jornada est actuellement professeur adjoint en science et ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford.

A la surprise des chercheurs, les résultats des calculs effectués par le supercalculateur Cori du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC) ont révélé que les plasmons dans les TMD quasi 2-D sont beaucoup plus stables - jusqu'à environ 2 picosecondes, ou 2 billions de seconde - qu'on ne le pensait auparavant.

Leurs résultats suggèrent également que les plasmons générés par les TMD quasi 2-D pourraient augmenter l'intensité de la lumière de plus de 10 millions de fois, ouvrir la porte à la chimie renouvelable (réactions chimiques déclenchées par la lumière), ou l'ingénierie de matériaux électroniques pouvant être contrôlés par la lumière.

Dans les études futures, les chercheurs prévoient d'étudier comment exploiter les électrons hautement énergétiques libérés par ces plasmons lors de la désintégration, et s'ils peuvent être utilisés pour catalyser des réactions chimiques.