萊斯大學(xué)的研究人員通過在少于50個原子的有機分子中研究它們來探測激發(fā)電子態(tài)稱為等離子體的物理極限。

等離子體是自由電子等離子體中的振蕩，其不斷地在諸如金屬的導(dǎo)電材料的表面上旋轉(zhuǎn)。在一些納米材料中，特定顏色的光可以與等離子體共振，并使其內(nèi)部的電子失去其個體身份，并以節(jié)奏波的形式移動。Rice的納米光子學(xué)實驗室(LANP)開創(chuàng)了越來越多的等離子體技術(shù)，應(yīng)用于變色玻璃，分子傳感，癌癥診斷和治療，光電子學(xué)，太陽能收集和光催化等多種應(yīng)用。

LANP科學(xué)家在線報道了美國國家科學(xué)院院刊，詳細介紹了三種不同多環(huán)芳烴(PAHs)中等離子體的兩年實驗和理論研究結(jié)果。與相對較大的金屬納米粒子中的等離子體不同，通?？梢杂媒?jīng)典的電磁理論如麥克斯韋方程來描述，PAHs中原子的缺乏產(chǎn)生的等離子體只能用量子力學(xué)來理解，該研究的共同作者和合作者設(shè)計師Naomi Halas是LANP的主管，也是該項目的首席研究員。

“這些多環(huán)芳烴基本上是石墨烯碎片，含有五到六個被氫原子周圍環(huán)繞的稠合苯環(huán)，”哈拉斯說。“每個原子中都有這么少的原子，即使加入或除去一個電子也會極大地改變它們的電子行為。”

Halas的團隊在之前的幾項研究中已經(jīng)通過實驗證實了分子等離子體的存在。但該研究的共同作者Luca Bursi是研究聯(lián)合設(shè)計師和共同作者Peter Nordlander的研究小組的理論物理學(xué)家Luca Bursi，他需要進行一項并行理論和實驗觀點的研究。

“分子激發(fā)本質(zhì)上是無處不在的，并且研??究得很好，特別是對于中性PAHs，過去曾被認為是非等離子體激發(fā)的標準，”Bursi說。“考慮到PAHs已經(jīng)知道了多少，它們是進一步研究系統(tǒng)中等離子體激發(fā)特性的理想選擇，這些系統(tǒng)與實際分子一樣小，代表了等離子體的前沿。”

首席合著者Kyle Chapkin，博士。哈拉斯研究小組應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生說：“分子等離子體是等離子體和分子化學(xué)之間界面的一個新領(lǐng)域，它正在迅速發(fā)展。當?shù)入x子體到達分子尺度時，我們對等離子體的構(gòu)成失去了任何明顯的區(qū)別。什么不是。我們需要找到一個新的理由來解釋這個政權(quán)，這是這項研究的主要動機之一。“

在他們的天然狀態(tài)下，被研究的PAHs - 蒽醌，苯并[per] [per]和per - 是電荷中性的，并且不能通過Chapkin實驗中使用的可見光波長激發(fā)到等離子態(tài)。在它們的陰離子形式中，分子含有另外的電子，它改變它們的“基態(tài)”并使它們在可見光譜中具有等離子體活性。通過激發(fā)分子的天然和陰離子形式并精確比較它們放松回基態(tài)時的表現(xiàn)，Chapkin和Bursi建立了一個堅實的案例，即陰離子形式支持可見光譜中的分子等離子體。

Chapkin說，關(guān)鍵在于確定已知等離子體顆粒與陰離子多環(huán)芳烴的行為之間的許多相似之處。通過匹配松弛行為的時間尺度和模式，LANP團隊建立了陰離子PAHs中低能等離激元激發(fā)特征動力學(xué)的圖像。

“在分子中，所有激發(fā)都是分子激發(fā)，但選擇激發(fā)態(tài)顯示出一些特征，使我們能夠與金屬納米結(jié)構(gòu)中已經(jīng)建立的等離子體激發(fā)相平行，”Bursi說。

“這項研究為少數(shù)原子量子系統(tǒng)中集體激發(fā)的有時令人驚訝的行為提供了一個窗口，”哈拉斯說。“我們在這里學(xué)到的東西將有助于我們的實驗室和其他人開發(fā)用于超快變色玻璃，分子級光電子學(xué)和非線性等離子體介導(dǎo)光學(xué)的量子等離子體方法。”