Natuurkundigen lossen geometrische puzzels op in elektromagnetisme

Een team van wetenschappers heeft het al lang bestaande probleem opgelost van hoe elektronen samen bewegen als een groep in cilindrische nanodeeltjes.

Het nieuwe onderzoek zorgt voor een onverwachte theoretische doorbraak op het gebied van elektromagnetisme, met perspectieven voor metamaterialenonderzoek.

Het team van theoretische fysici, van de Universiteit van Exeter en de Universiteit van Straatsburg, creëerde een elegante theorie die uitlegt hoe elektronen collectief bewegen in kleine metalen nanodeeltjes in de vorm van cilinders.

Het werk heeft geleid tot een nieuw begrip van hoe licht en materie op nanoschaal interageren, en heeft implicaties voor de realisatie van toekomstige nanoschaal apparaten die gebruik maken van op nanodeeltjes gebaseerde metamaterialen met spectaculaire optische eigenschappen.

Metalen nanodeeltjes hebben een positief geladen ionische kern, met een wolk van negatief geladen elektronen die eromheen wervelen. Als er licht op zo’n metalen voorwerp valt, wordt de elektronische wolk verplaatst.

Door deze verplaatsing wordt de hele groep elektronen rond de positieve kern in trilling gebracht. De groep elektronen die heen en weer klotst, gedraagt ​​zich als een enkel deeltje (een zogenaamd quasi-deeltje), bekend als een “plasmon”.

Het plasmon wordt voornamelijk gekenmerkt door de frequentie waarmee het oscilleert, die bekend staat als de plasmon-resonantiefrequentie.

Onderzoeken hoe de resonantiefrequentie van het plasmon verandert afhankelijk van de geometrie van het gastende nanodeeltje is een fundamentele taak in het moderne elektromagnetisme. Algemeen wordt aangenomen dat slechts enkele specifieke geometrieën van nanodeeltjes kunnen worden beschreven met analytische theorie – dat wil zeggen zonder toevlucht te nemen tot zware, tijdrovende numerieke berekeningen.

Algemeen wordt aangenomen dat de lijst van geometrieën die een analytische beschrijving mogelijk maken, erg kort is, en bestaat alleen uit bolvormige en ellipsvormige nanodeeltjes.

Dit feit is zeer onhandig vanwege de experimentele alomtegenwoordigheid van cilindrische nanodeeltjes, die ontstaan ​​in verschillende aspectverhoudingen van lange, naaldachtige nanodraden tot dunne, pannenkoekachtige nanodeeltjes.

In het onderzoek gingen de onderzoekers in op hoe plasmonen in cilindrische nanodeeltjes oscilleren. Door een theoretische techniek te gebruiken die is geïnspireerd door kernfysica, hebben de onderzoekers een elegante analytische theorie gebouwd die het gedrag van plasmonen in cilinders met een willekeurige aspectverhouding beschrijft.

De theorie heeft een volledige beschrijving van cilindrische plasmonische nanodeeltjes mogelijk gemaakt, waarbij eenvoudig de plasmonische resonantie in metallische nanodeeltjes van nanodraden tot ronde nanodeeltjes wordt beschreven.

De twee theoretici van de gecondenseerde materie hielden ook rekening met de plasmonische respons van een paar gekoppelde cilindrische nanodeeltjes en vonden kwantummechanische correcties op hun klassieke theorie, die relevant is vanwege de kleine nanometrische afmetingen van de nanodeeltjes.

Dr. Charles Downing van de afdeling Fysica en Astronomie van de Universiteit van Exeter legt uit: “Heel onverwacht levert ons theoretisch werk diep, analytisch inzicht op in plasmonische excitaties in cilindrische nanodeeltjes, wat kan helpen om onze experimentele collega’s te begeleiden bij het fabriceren van metalen nanostaafjes in hun laboratoria.”

Guillaume Weick van de Universiteit van Straatsburg voegt hieraan toe: “Er is een trend om steeds meer afhankelijk te zijn van zware berekeningen om plasmonische systemen te beschrijven. In ons throwback-werk onthullen we dat eenvoudige pen-en-papierberekeningen nog steeds intrigerende verschijnselen op de voorgrond kunnen verklaren. van metamaterialenonderzoek. “

De theoretische doorbraak is van direct nut voor een hele reeks wetenschappers die met nano-objecten werken in de geavanceerde wetenschap van plasmonics. Op de langere termijn hoopt men dat plasmonische excitaties kunnen worden benut in de volgende generatie van ultracompacte schakelingen, zonne-energieconversie en gegevensopslag naarmate onze technologie in toenemende mate geminiaturiseerd wordt.

Plasmonische modi in cilindrische nanodeeltjes en dimeren is gepubliceerd in Proceedings of the Royal Society A.