Plasmônica: Por que nanopartículas re-emitem luz de outra cor?

Com informações da ACS - 05/02/2019

No campo das nanopartículas, a fotoluminescência parece ter ganho um debate de longa data contra o efeito Raman.
[Imagem: Anneli Joplin/Universidade Rice]

Raman versus fotoluminescência

Quando uma nanopartícula metálica é iluminada, ela emite luz de volta, frequentemente de uma cor diferente. Isto é um fato - mas o motivo pelo qual isso acontece ainda é tema de debate.

Entender como e por que as nanopartículas emitem luz é importante para melhorar a eficiência das células solares, para projetar partículas que usam luz para desencadear ou detectar reações bioquímicas e no emergente campo da plasmônica, que promete chips à velocidade da luz.

O debate de longa data, com cientistas com opiniões firmes em ambos os lados, centra-se basicamente em como a luz de uma cor faz com que as nanopartículas metálicas emitam luz de uma cor diferente.

Yi-Yu Cai e seus colegas da Universidade de Rice, nos EUA, descobriram agora que é a fotoluminescência, e não a dispersão Raman, que dá às nanopartículas suas notáveis propriedades emissoras de luz.

"O efeito Raman é como uma bola que atinge um objeto e é rebatida," explica Cai. "Mas na fotoluminescência, o objeto absorve a luz. A energia se movimenta na partícula e a emissão vem depois."

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Quando um fóton perde energia, induzindo uma vibração na molécula, o processo é chamado de Stokes; inversamente, quando é a energia do fóton que aumenta, extraindo energia de vibração da molécula, o processo é chamado de anti-Stokes.
[Imagem: ACS]

Emissão Stokes e anti-Stokes

Oito anos atrás, o mesmo grupo de pesquisa relatou o primeiro estudo espectroscópico sobre luminescência a partir de nanofios plasmônicos únicos, produzindo uma espécie de "luz escura".

A equipe se baseou agora naquele mesmo trabalho, mostrando que o brilho emerge quando portadoras quentes - os elétrons e lacunas em metais condutores - são excitados pela energia do laser e se recombinam à medida que perdem energia, com as interações emitindo fótons.

Ao emitir frequências específicas de laser em nanobastões de ouro, Cai conseguiu medir as temperaturas que, segundo ele, só podem estar associadas a elétrons excitados. Isso é uma indicação de fotoluminescência, porque o espalhamento Raman assume que fônons, e não elétrons excitados, são responsáveis pela emissão da luz.

Segundo a equipe, a evidência aparece na eficiência da emissão anti-Stokes. A emissão anti-Stokes surge quando a saída energética de uma partícula é maior do que a entrada, enquanto a emissão de Stokes surge quando o inverso é verdadeiro.

Prata, alumínio e outras nanopartículas metálicas também são plasmônicas, e Cai pretende testá-las a seguir para determinar suas propriedades Stokes e anti-Stokes. Mas primeiro ele e seus colegas investigarão como a fotoluminescência decai com o tempo.

"Nosso grupo vai avançar agora para medir o tempo de vida desta emissão, quanto tempo ela pode sobreviver após o laser ser desligado," disse ele.

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