Breathing of small gold clusters
Des petits agrégats d'or qui respirent
September 2018
Séptembre 2018
When it is impulsively heated, a metal sphere starts "breathing" : it undergoes periodic and radially symmetric dilations and contractions. This mechanical effect, which has been studied for years focusing on macroscopic and microscopic objects with a diameter as small as a few nanometers, was investigated here on still smaller systems, namely gold clusters composed of few atoms (10 to 100) protected by a layer of organic molecules (as for instance phenylethanethiolates, SCH2CH2Ph).
For this study, researchers at iLM (Paolo Maioli, Tatjana Stoll, Aurélien Crut, Fabrice Vallée, Natalia Del Fatti - team FemtoNanoOptics - and Franck Bertortelle - team SpectroBio), with colleagues from Mexico City and Milan, used an optical setup based on femtosecond laser pulses : the first pulse (pump) excites metal clusters thus inducing mechanical breathing vibrations, while a second pulse (probe) optically detects the volume variation as a function of time. The results, both experimental and theoretical, reported in this paper show that for such small metal clusters (diameter in the 0.5 – 2 nm range), the thin layer of organic molecules strongly affects the breathing-mode frequency, which remains constant over all the cluster sizes investigated. On the contrary, theoretical computations show that in the case of bare clusters, which are not covered by the molecules layer, the breathing-mode frequency is in agreement with the predictions of continuum mechanics, which applies to the macroscopic scale, even for systems as small as the Au2 molecule, made by only two gold atoms.
Si on chauffe très rapidement une petite sphère métallique, elle commence alors à "respirer" : elle se dilate d'abord et se contracte ensuite de manière périodique et régulière. Ce phénomène mécanique, étudié depuis longtemps sur des objets macroscopiques et microscopiques d'un diamètre décroissant jusqu'à quelques nanomètres, vient d'être observé et caractérisé sur des systèmes encore plus petits, à savoir des petits agrégats composés d'un noyau d'or avec un très faible nombre d'atomes (entre 10 et 100) recouverts d'une couche de molécules organiques (comme par exemple le phenyléthanethiol, SCH2CH2Ph).
Pour ces études, les chercheurs de l’iLM (Paolo Maioli, Tatjana Stoll, Aurélien Crut, Fabrice Vallée, Natalia Del Fatti - équipe FemtoNanoOptics - et Franck Bertortelle - équipe SpectroBio), en collaboration avec des collègues de Mexico et de Milan, ont utilisé des lasers pulsés à impulsions femtoseconde : une première impulsion de pompe excite les agrégats et déclenche les vibrations mécaniques, une deuxième impulsion de sonde vient sonder optiquement la variation de volume des agrégats dans le temps. Cette étude, à la fois expérimentale et théorique, a montré que, pour des agrégats métalliques si petits (0.5 – 2 nm de diamètre), la fine couche de molécules organiques influence fortement la fréquence de respiration, qui reste constante sur toute la gamme étudiée. En revanche, les calculs montrent que pour des agrégats d'or nus, c'est-à-dire qui ne sont pas entourés de molécules, la fréquence de respiration peut être reproduite correctement par des modèles de physique des milieux continus, développés pour le monde macroscopique, jusqu'au cas limite des vibrations de la molécule Au2, formée par seulement deux atomes d'or en interaction.
The following movie, included in the Supporting Information of the manuscript, illustrates the breathing and quadrupolar mode vibrations of ligand-protected Au clusters computed by Density Functional Theory
L'animation suivante, annexée au manuscrit, montre le mode de respiration et le mode quadrupolaire d'agrégats d'or recouverts de molécules organiques, calculé par Density Functional Theory
Further information:
Pour en savoir plus :
P. Maioli, T. Stoll, H. E. Sauceda, I. Valencia, A. Demessence, F. Bertorelle, A. Crut, F. Vallée, I. L. Garzón, G. Cerullo and N. Del Fatti
"Mechanical Vibrations of Atomically Defined Metal Clusters: From Nano- to Molecular-Size Oscillators"