p Plasmons, que pode ser pensado como nuvens de elétrons que oscilam dentro de um nanocluster de metal, poderiam servir como antenas para absorver a luz do sol com mais eficiência do que os semicondutores. Entendê-los e manipulá-los é importante para seu uso potencial em energia fotovoltaica, divisão de água da célula solar, e produção de combustível induzida pela luz solar a partir de CO2. p Mas, nesses aplicativos, excitação de partícula única, em vez da excitação coletiva de plasmon, é necessária para transferir elétrons um de cada vez para um eletrodo e induzir as reações químicas desejadas. Depois que o plasmon é excitado pela luz solar, induz a excitação de partícula única 'portadores quentes'. Agora, pela primeira vez, a interação entre o modo plasmon e a excitação de partícula única dentro de um pequeno aglomerado de metal foi simulada diretamente.

p Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) usaram um algoritmo numérico em tempo real, desenvolvido no Berkeley Lab em fevereiro, para estudar o plasmon e o portador quente dentro da mesma estrutura. Isso é fundamental para entender por quanto tempo uma partícula permanece excitada, e se há refluxo de energia do portador quente para o plasmon. O novo estudo mostra o movimento do elétron quando é perturbado pela luz.

p "Você precisa considerar como o plasmon pode dar sua energia a excitações de partícula única. As pessoas têm feito isso analiticamente, mas eles olharam para o material em massa e trataram o modo plasmon usando a descrição clássica, "diz Lin-Wang Wang, cientista sênior da equipe do Berkeley Lab, quem liderou este trabalho. "Descrevemos o plasmon e a excitação de partícula única mecanicamente, e nanopartículas estudadas porque são frequentemente usadas em aplicações reais. Se você gerar uma portadora quente em tal nanossistema, é mais fácil de transferir para o eletrodo conectado devido aos seus pequenos tamanhos. "Seus cálculos usaram a luz para excitar o Ag55, um nanocluster mediano com geometria conhecida, e mostrou o comportamento do plasmon e a excitação de partícula única.

p O estudo foi publicado em um Nature Communications artigo intitulado 'Interplay Between Plasmon and Single-partle Excitations in a Metal Nanocluster.' Jie Ma e Zhi Wang, também do Berkeley Lab, e Lin-Wang Wang são os autores.

p Nas simulações, aglomerados de nanopartículas metálicas responderam claramente à luz externa, com carga 'espirrando' para frente e para trás dentro dos aglomerados. Contudo, esse movimento pode ser causado tanto por um plasmon quanto por excitações de partícula única. O truque é mostrar qual é qual.

p "Encontramos uma maneira de distingui-los por seus diferentes comportamentos oscilantes. Usando esse método, descobrimos que se uma excitação de portadora quente está em sintonia com a oscilação do plasmon, então, 90% da energia do plasmon pode ser convertida em energia de partícula única. Mas se eles estão desafinados, a energia total vai e volta entre o plasmon e a excicação de partícula única, "explica Wang.

p Jie Ma, um pós-doutorado que é o autor principal do artigo, acrescenta que "a excitação de uma única partícula é a mudança contínua da ocupação do elétron, mas o plasmon é a oscilação das ocupações de elétrons em torno da energia Fermi [nível 'fundamental' do reservatório de elétrons]. "Quando a ressonância se acumula entre os dois, a maior parte da energia é transferida para o portador quente.

p Os métodos computacionais convencionais do estado fundamental não podem ser usados ​​para estudar sistemas nos quais os elétrons foram excitados. Mas usando simulações em tempo real, um sistema excitado pode ser modelado com equações dependentes do tempo que descrevem o movimento dos elétrons na escala de tempo do femtossegundo (quatrilionésimo de segundo).

p Uma única partícula excitada pode cair rapidamente para um estado de energia inferior ao emitir um fônon, que é a vibração dos átomos. Isso significa que ele não é mais um portador quente. Eventualmente, todos os portadores quentes perderão sua energia, à medida que elétrons e lacunas se recombinam em um sistema metálico. Mas a questão é por quanto tempo o carreador quente permanecerá quente e capaz de se transportar para outro eletrodo ou molécula antes de ser resfriado. Estudos anteriores, que não incluem o movimento dos núcleos, não pode descrever o processo de resfriamento. Mas a simulação de Wang sugere que em uma pequena nanoestrutura o transportador esfria mais lentamente do que em um sistema em massa.

p "Aqui, simulamos nanopartículas isoladas. Mas se você colocar as nanopartículas em algum substrato, isso poderia ser muito interessante, "diz Ma. Será importante entender por quanto tempo um portador quente pode permanecer quente.

p Com poderosas ferramentas computacionais, essas perguntas agora podem ser respondidas e usadas no desenvolvimento de futuras aplicações baseadas em plasmon.