Дослідники з хімічного факультету Університету Карнегі-Меллона знайшли спосіб контролювати час життя квантових станів нанокластерів золота зі збільшенням на три порядки, що може призвести до поліпшення технологій сонячних елементів і фотокаталізу. Їх дослідження опубліковано в журналі Science.
Збуджені квантові стани виникають, коли світло поглинається частинкою, а енергія цього світла тимчасово зберігається всередині частинки, роблячи її енергію вищою, ніж її основний стан. Енергія швидко розпадається і може губитися у вигляді тепла протягом наносекунди або однієї мільярдної частки секунди. Розширення цього квантового стану може надати дослідникам більше часу і можливостей для використання накопиченої енергії.
Дослідники створили атомно точні нанокластери золота, що містять від 30 до 38 атомів. Вони змінили структури кластерів, переставивши атоми в екзотичні конфігурації і захистивши їх за допомогою ліганда, спеціального хімічного сполуки.
Вчені виміряли час життя квантових станів нанокластерів за допомогою фемтосекундної і наносекундної спектроскопії з тимчасовою роздільною здатністю, щоб зробити знімки нанокластерів з моменту, коли вони поглинали енергію від світла, в даному випадку фемтосекундного лазерного імпульсу, до тих пір, поки вони не випустили енергію.
Співробітники Каліфорнійського університету в Ріверсайді підтвердили результати, використовуючи розрахунки теорії функції щільності для аналізу молекулярних орбіталів нанокластерів.
Вони виявили, що нанокластер золота з 30 атомами, з гексагональною щільноупакованою (ГПУ) структурою, має квантовий час життя однієї наносекунди.
Але 38-атомний нанокластер золота з об'ємно-центрованою кубічною (ОЦК) структурою мав набагато триваліший час життя - 4,7 мікросекунди. Збільшення часу життя на три порядки дає дослідникам достатньо часу для вилучення поглиненої світлової енергії з нанокластерів, що має значні наслідки.
"Стратегія маніпулювання часом життя збудженого стану від дуже короткого до дуже довгого є захоплюючою. Виключно довгий квантовий термін служби в 4,7 мікросекунди можна порівняти з таким для об'ємного кремнію, який використовується для комерційних сонячних елементів ", - кажуть дослідники. «Це повинно дати нам достатньо часу, щоб ефективно витягувати енергію в зовнішні ланцюги, не втрачаючи занадто багато енергії на нагрів».
Налаштований квантовий термін служби також може бути використаний для підвищення ефективності фотокаталізу на основі видимого світла, що використовується для перетворення сонячної енергії в хімічні речовини, такі як перетворення метанолу і етанолу з діоксиду вуглецю.