Os físicos desenvolveram uma maneira de determinar as propriedades eletrônicas de filmes finos de ouro depois que eles interagem com a luz. Nature Communications publicou o novo método, o que contribui para a compreensão das leis fundamentais que governam a interação de elétrons e luz.

"Surpreendentemente, até agora, tem havido maneiras muito limitadas de determinar o que exatamente acontece com os materiais depois de iluminá-los, "diz Hayk Harutyunyan, professor assistente de física na Emory University e principal autor da pesquisa. "Nossa descoberta pode abrir caminho para melhorias em dispositivos como sensores ópticos e células fotovoltaicas."

De painéis solares a câmeras e telefones celulares - para ver com nossos olhos - a interação de fótons de luz com átomos e elétrons é onipresente. "O fenômeno óptico é um processo tão fundamental que o consideramos garantido, e ainda não é totalmente compreendido como a luz interage com os materiais, "Harutyunyan diz.

Um obstáculo para a compreensão dos detalhes dessas interações é sua complexidade. Quando a energia de um fóton de luz é transferida para um elétron em um material que absorve luz, o fphoton é destruído e o elétron é excitado de um nível para outro. Mas tantos fótons, átomos e elétrons estão envolvidos - e o processo acontece tão rapidamente - que a modelagem laboratorial do processo é computacionalmente desafiadora.

Para o artigo da Nature Communications, os físicos começaram com um sistema de material relativamente simples - camadas de ouro ultrafinas - e realizaram experimentos nele.

"Não usamos força computacional bruta, "Harutyunyan diz." Começamos com dados experimentais e desenvolvemos um modelo analítico e teórico que nos permitiu usar caneta e papel para decodificar os dados. "

Harutyunyan e Manoj Manjare, um pós-doutorado em seu laboratório, projetou e conduziu os experimentos. Stephen Gray, Gary Wiederrecht e Tal Heilpern - do Laboratório Nacional de Argonne - descobriram as ferramentas matemáticas necessárias. Os físicos de Argonne também trabalharam no modelo teórico, junto com Alexander Govorov da Universidade de Ohio.

Para os experimentos, as nanocamadas de ouro foram posicionadas em ângulos específicos. A luz então brilhou no ouro em dois, pulsos sequenciais. "Esses pulsos de luz laser eram muito curtos - milhares de bilhões de vezes mais curtos do que um segundo, "Harutyunyan diz." O primeiro pulso foi absorvido pelo ouro. O segundo pulso de luz mediu os resultados dessa absorção, mostrando como os elétrons mudaram de um estado fundamental para um estado excitado. "

Tipicamente, ouro absorve luz em frequências verdes, refletindo todas as outras cores do espectro, o que faz o metal parecer amarelo. Na forma de nanocamadas, Contudo, ouro pode absorver luz em comprimentos de onda mais longos, na parte infravermelha do espectro.

"Em um certo ângulo de excitação, fomos capazes de induzir transições eletrônicas que não eram apenas uma frequência diferente, mas um processo físico diferente, "Harutyunyan diz." Fomos capazes de rastrear a evolução desse processo ao longo do tempo e demonstrar por que e como essas transições acontecem. "

Usar o método para entender melhor as interações subjacentes à absorção de luz por um material pode levar a maneiras de ajustar e gerenciar essas interações.

Células de energia solar fotovoltaica, por exemplo, atualmente, só são capazes de absorver uma pequena porcentagem da luz que os atinge. Sensores ópticos usados ​​em biomedicina e fotocatalisadores usados ​​em química são outros exemplos de dispositivos que poderiam ser melhorados pelo novo método.

Enquanto o Nature Communications o papel oferece uma prova de conceito, os pesquisadores planejam continuar a refinar o uso do método com ouro ao mesmo tempo em que experimentam uma variedade de outros materiais.

"Em última análise, queremos demonstrar que este é um método amplo que pode ser aplicado a muitos materiais úteis, "Harutyunyan diz.