Золото - металл, безусловно, благородный, но, как и другие металлы, излучать свет оно не способно. Однако мельчайшие, насчитывающие всего несколько атомов, частички золота, как показывают эксперименты американских ученых, светятся, да еще как.

Как и для других веществ, по мере уменьшения размеров и числа атомов частицы золота приобретают новые, несвойственные обычному (объемному) материалу свойства (см., например нашу новость "Золотые "наномагниты"). Успехи в синтезе металлических (в частности, золотых) наночастиц, состоящих всего лишь из нескольких сотен и даже десятков атомов, в стабилизирующих полимерных матрицах, позволяют ученым изучать свойства этих необычных объектов. Причем, как будет видно ниже, эти исследования представляют не только интерес с точки зрения "высокой науки", но и самой что ни на есть практической точки зрения.

Рис.1. A - Спектры люминесценции (сплошной линией) и возбуждения люминесценции (штриховая линия) для кластеров: Au5 - фиолетовым, Au8 - голубым, Au13 - зеленым, Au23 - красным, Au31 - темно-красным; B - свечение водных растворов кластеров Au5, Au8 и Au13 (слева направо).

Ученые из Технологического института штата Джорджия провели исследование спектров люминесценции и поглощения кластеров золота, состоящих всего из нескольких (от пяти до тридцати) атомов [1]. Эти кластеры в стабилизирующей полимерной матрице (PAMAM), которая предотвращала окисление и агрегацию частиц, демонстрировали интенсивную фотолюминесценцию в диапазоне от ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения - в зависимости от размера кластера (рис.1). Причем квантовый выход люминесценции был очень высок: от 70 % для самых маленьких кластеров (Au₅) до 10 % для самых больших (Au₃₁).

То, что мельчайшие металлические частицы светятся, на самом деле не так удивительно - их еще нельзя рассматривать как частички металла. Правильнее назвать их "многоэлектронными искусственными атомами"; энергетический спектр электронов в искусственных атомах, как и в атомах обычных, представляет собой набор отдельных уровней, а не энергетические полосы (зоны), свойственные для твердого тела. Соответственно, спектры поглощения и излучения определяется переходами отдельных электронов между уровнями энергии, а не коллективными электронными возбуждениями, как в обычных металлах.

В рамках простейшей модели можно представить себе такую систему следующим образом: электроны находятся в потенциальной яме, образованной равномерно размазанным в пределах сферы положительным зарядом (модель желе). Как показывают расчеты, такая простая модель дает достаточно очень хорошее согласие с экспериментом (рис.2) - энергия излучения для золотых кластеров из нескольких атомов описывается простейшей зависимостью E_Fermi/N^1/3, где E_Fermi - энергия Ферми для объемного золота, N - число частиц в кластере. По мере увеличения числа атомов картина несколько усложняется; изменяется форма потенциальной ямы, уровни энергии становятся ближе друг к другу - "искусственный многоэлектронный атом" начинает потихоньку превращаться в "металлическую наночастицу".

Рис.2. Изменение энергии излучения в зависимости от числа атомов в кластере: квадраты - экспериментальные данные, сплошная кривая EFermi/N1/3 - теоретическая зависимость. На вставках показано изменение формы потенциальной ямы по мере увеличения числа атомов.

Очень высокая эффективность люминесценции, способность перестраивать длину волны излучения в широком спектральном диапазоне - одно это делает кластеры золота весьма перспективными с точки зрения практических приложений (от наномасштабной оптоэлектроники до биологии и медицины). Если же добавить к этому достаточную простоту получения, растворимость в воде, отсутствие необходимости использовать токсические компоненты для их синтеза, а также неизменность свойств кластеров золота в полимерных матрицах на протяжении как минимум нескольких месяцев (независимо от того, существуют ли они в виде водного раствора или порошка), то золотые нанокластеры становятся грозными конкурентами для другого вида наночастиц - полупроводниковых квантовых точек. Не останавливаясь на сделанной "заявке" на перспективность использования золотых кластеров во множестве практических приложений, ученые вскоре экспериментально продемонстрировали принципиальную возможность их применения в одной из нарождающихся областей - квантовой криптографии.

Для обеспечения секретности передачи информации за счет законов квантовой механики требуется иметь надежные источники одиночных фотонов (см. об этом в нашей новости "Квантовая криптография или каждый (фотон) умирает в одиночку"). Природным источником отдельных фотонов являются атомы (очевидно, что атом при резонансном оптическом возбуждении не способен одновременно излучить несколько фотонов с энергией, соответствующей энергии данного оптического перехода), поэтому не удивительно, что всевозможные "искусственные атомы" являются первыми кандидатами на роль источников одиночных фотонов (таковы, например, полупроводниковые квантовые точки, исправно работающие источниками одиночных фотонов при низких температурах). Американские ученые показали, что и отдельные золотые кластеры (пусть и полученные не таким способом, как в описанной выше работе) в состоянии генерировать одиночные фотоны под действием высокочастотного электрического поля при комнатной температуре [2] (о различных способах генерации одиночных фотонов и о том, как можно зарегистрировать "однофотонность" люминесценции, см. нашу новость и ссылки в ней).

Будут ли кластеры из малого числа атомов золота более успешны в качестве наноразмерных оптоэлектронных элементов, или при использовании в биологических и медицинских исследованиях, сейчас сказать сложно, но ясно одно - свое место под солнцем эти мельчайшие искусственные лампочки займут.

1. Jie Zheng, Caiwei Zhang, and Robert M. Dickson. Phys.Rev.Lett, v.93, 077402 (2004).

2. Joze I.Gonzalez, Tae-Hee Lee, Michael D.Barnes, Yasuko Antoku, and Robert M. Dickson. Phys.Rev.Lett, v.93, 147402 (2004).

Е.Онищенко