Химики манипулируют квантовыми состояниями

Исследователи изучали нанокластеры золота, содержащие от 30 до 38 атомов

0 1 387

Исследователи из химического факультета Университета Карнеги-Меллона нашли способ контролировать жизни квантовых состояний нанокластеров золота с увеличением на три порядка, что может привести к улучшению технологий солнечных элементов и фотокатализа. Их исследование опубликовано в журнале Science.

Возбужденные квантовые состояния возникают, когда поглощается частицей, а этого света временно сохраняется внутри частицы, делая ее энергию выше, чем ее основное состояние. Энергия быстро распадается и может теряться в виде тепла в течение наносекунды или одной миллиардной доли секунды. Расширение этого квантового состояния может предоставить исследователям больше времени и возможностей для использования накопленной энергии.

Исследователи создали атомно точные нанокластеры золота, содержащие от 30 до 38 атомов. Они изменили структуры кластеров, переставив в экзотические конфигурации и защитив их с помощью лиганда, специального химического соединения.

Ученые измерили жизни квантовых состояний нанокластеров с помощью фемтосекундной и наносекундной спектроскопии с временным разрешением, чтобы сделать снимки нанокластеров с момента, когда они поглощали энергию от света, в данном случае фемтосекундного лазерного импульса, до тех пор, пока они не выпустили энергию.

Сотрудники Калифорнийского университета в Риверсайде подтвердили результаты, используя расчеты теории функции плотности для анализа молекулярных орбиталей нанокластеров.

Они обнаружили, что нанокластер золота с 30 атомами, с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структурой, имеет квантовое жизни одной наносекунды.

Но 38-атомный нанокластер золота с объемно-центрированной кубической (ОЦК) структурой имел намного более длительное жизни — 4,7 микросекунды. Увеличение времени жизни на три порядка дает исследователям достаточно времени для извлечения поглощенной световой энергии из нанокластеров, что имеет значительные последствия.

Химики создали нанокластер золота с 30 атомами с ГПУ-структурой, который имеет квантовое жизни одной наносекунды, и нанокластер золота с 38 атомами с ОЦК-структурой, который имеет квантовое время жизни 4,7 микросекунды.

«Стратегия манипулирования временем жизни возбужденного состояния от очень короткого до очень длинного является захватывающей. Исключительно длинный квантовый срок службы в 4,7 микросекунды сопоставим с таковым для объемного кремния, который используется для коммерческих солнечных элементов», — говорят исследователи. «Это должно дать нам достаточно времени, чтобы эффективно извлекать энергию во внешние цепи, не теряя слишком много энергии на нагрев».

Смотрите также  Странные металлы как новое состояние материи

Настроенный квантовый срок службы также может быть использован для повышения эффективности фотокатализа на основе видимого света, используемого для преобразования солнечной энергии в химические вещества, такие как преобразование метанола и этанола из диоксида углерода.


Three-orders-of-magnitude variation of carrier lifetimes with crystal phase of gold nanoclusters, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aaw8007 , https://science.sciencemag.org/content/364/6437/279.abstract

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x