The dynamics and spectroscopy of silicon nanocrystals that emit at visible wavelengths were analyzed. Size-selective precipitation and size-exclusion chromatography cleanly separate the silicon nanocrystals from larger crystallites and aggregates and provide direct evidence for quantum confinement in luminescence. Measured quantum yields are as high as 50 percent at low temperature, principally as a result of efficient oxide passivation. Despite a 0.9-electron-volt shift of the band gap to higher energy, the nanocrystals behave fundamentally as indirect gap materials with low oscillator strength.

We use time-, wavelength-, temperature-, polarization-resolved luminescence to elucidate the nature of the absorbing and ‘‘band edge’’ luminescing states in 32 Å diameter wurtzite CdSe quantum crystallites. Time-resolved emission following picosecond size-selective resonant excitation of the lowest excited state shows two components—a temperature insensitive 100 ps component and a microsecond, temperature sensitive component. The emission spectrum, showing optic phonon vibrational structure, develops a ∼70 wave number red shift as the fast component decays. Photoselection shows the slow component to be reverse polarized at 10 K, indicating this component to be the result of a hole radiationless transition. The 100 ps emitting state is repopulated thermally as temperature increases from 10 to 50 K. All available data are interpreted by postulating strong resonant mixing between a standing wave molecular orbital delocalized inside the crystallite and intrinsic surface Se lone pair states. The apparent exciton transition is assigned to a ∼130 wave number wide band of eigenstates with the hole localized principally on the surface. The band contains strongly emitting ‘‘doorway’’ states and weakly emitting ‘‘background’’ states. The hole becomes mobile among these states as T increases to 50 K. It is suggested that such resonant mixing may be general in II–VI and III–V crystallites.

We use transient optical hole burning and photoluminescence to investigate the static and dynamic electronic properties of 32-\AA{} CdSe quantum dots. We observe a number of discrete electronic transitions, resolve LO-phonon progressions, and obtain homogeneous linewidths and electron--LO-phonon couplings. We find that the band-gap luminescence is not from the exciton state, but from a surface trapped state. Rapid (\ensuremath{\sim}160 fs) trapping into these surface states results in long-lived (\ensuremath{\sim}10--100 ns) bleach and induced-absorption features in pump-probe experiments.

Plasmonic nanoparticles can strongly interact with adjacent fluorophores, resulting in plasmon-enhanced fluorescence or fluorescence quenching. This dipolar coupling is dependent upon nanoparticle composition, distance between the fluorophore and the plasmonic surface, the transition dipole orientation, and the degree of spectral overlap between the fluorophore's absorbance/emission and the surface plasmon band of the nanoparticles. In this work, we examine the distance and plasmon wavelength dependent fluorescence of an infrared dye ("IRDye") bound to silica-coated gold nanorods. Nanorods with plasmon band maxima ranging from 530 to 850 nm are synthesized and then coated with mesoporous silica shells 11–26 nm thick. IRDye is covalently attached to the nanoparticle surface via a click reaction. Steady-state fluorescence measurements demonstrate plasmon wavelength and silica shell thickness dependent fluorescence emission. Maximum fluorescence intensity, with approximately 10-fold enhancement, is observed with 17 nm shells when the nanorod plasmon maximum is resonant with IRDye absorption. Time-resolved photoluminescence reveals multiexponential decay and a sharp reduction in fluorescence lifetime with decreasing silica shell thickness and when the plasmon maximum is closer to IRDye absorption/emission. Control experiments are carried out to confirm that the observed changes in fluorescence are due to plasmonic interactions, is simply surface attachment. There is no change in fluorescence intensity or lifetime when IRDye is bound to mesoporous silica nanoparticles. In addition, IRDye loading is limited to maintain a distance between dye molecules on the surface to more than 9 nm, well above the Förster radius. This assures minimal dye–dye interactions on the surface of the nanoparticles.

Hyperbolic media have attracted much attention in the photonics community due to their ability to confine light to arbitrarily small volumes and their potential applications to super-resolution technologies. The two-dimensional counterparts of these media can be achieved with hyperbolic metasurfaces that support in-plane hyperbolic guided modes upon nanopatterning, which, however, poses notable fabrication challenges and limits the achievable confinement. We show that thin flakes of a van der Waals crystal, α-MoO3, can support naturally in-plane hyperbolic polariton guided modes at mid-infrared frequencies without the need for patterning. This is possible because α-MoO3 is a biaxial hyperbolic crystal with three different Reststrahlen bands, each corresponding to a different crystalline axis. These findings can pave the way toward a new paradigm to manipulate and confine light in planar photonic devices.

Two-dimensional hybrid organic-inorganic perovskites with chiral spin texture are emergent spin-optoelectronic materials. Despite the wealth of chiro-optical studies on these materials, their charge-to-spin conversion efficiency is unknown. We demonstrate highly efficient electrically driven charge-to-spin conversion in enantiopure chiral perovskites (R/S-MB) 2 (MA) 3 Pb 4 I 13 (〈 n 〉 = 4), where MB is 2-methylbutylamine, MA is methylamine, Pb is lead, and I is iodine. Using scanning photovoltage microscopy, we measured a spin Hall angle θ sh of 5% and a spin lifetime of ~75 picoseconds at room temperature in 〈 n 〉 = 4 chiral perovskites, which is much larger than its racemic counterpart as well as the lower 〈 n 〉 homologs. In addition to current-induced transverse spin current, the presence of a coexisting out-of-plane spin current confirms that both conventional and collinear spin Hall conductivities exist in these low-dimensional crystals.