Автор AZoNano 17 декабря 2020 г.

Группа исследователей теперь решила давний вопрос о том, как электроны движутся вместе как группа внутри цилиндрических наночастиц.

Новое исследование предлагает непредвиденный теоретический прогресс в области электромагнетизма с дальнейшими перспективами исследования метаматериалов.

Группа физиков-теоретиков из Университета Эксетера и Страсбургского университета разработала изящную теорию, объясняющую, как электроны движутся вместе в небольших металлических наночастицах цилиндрической формы.

Исследование предложило новый взгляд на то, как свет и материя взаимодействуют на наноуровне, с последствиями для создания будущих наноразмерных устройств, в которых используются метаматериалы на основе наночастиц с великолепными оптическими свойствами.

Ионное ядро ​​металлических наночастиц заряжено положительно, а вокруг него кружится облако отрицательно заряженных электронов. Электронное облако смещается, когда свет падает на такой металлический объект.

Это смещение заставляет всю группу электронов колебаться относительно положительного ядра. Электроны, колеблющиеся вперед и назад, действуют как одна частица (которая называется квазичастицей) или «плазмон».

Плазмон в основном характеризуется частотой, на которой он колеблется, называемой частотой плазмонного резонанса.

В современном электромагнетизме основная задача состоит в том, чтобы исследовать, как изменяется резонансная частота плазмона в зависимости от геометрии принимающей наночастицы. В общем, считается, что аналитическая теория может быть использована для описания только определенной конкретной геометрии наночастиц, не прибегая к трудоемким и длительным численным расчетам.

Широко распространено мнение, что список геометрий, допускающих аналитическое описание, очень короткий и включает только эллипсоидальные и сферические наночастицы.

Этот аспект в значительной степени нежелателен из-за экспериментального повсеместного распространения цилиндрических наночастиц, которые появляются в диапазоне соотношений сторон от тонких блиноподобных нанодисков до длинных игольчатых нанопроволок.

В рамках исследования команда исследовала, как колеблются плазмоны в цилиндрических наночастицах. Они использовали теоретический метод, основанный на ядерной физике, и разработали изящную аналитическую теорию, объясняющую поведение плазмонов в цилиндрах с произвольным соотношением сторон

.

Используя теорию, исследователи предложили полное описание цилиндрических плазмонных наночастиц, описывая только плазмонный резонанс в металлических наночастицах, от круглых нанодисков до нанопроволок.

Оба теоретика конденсированного состояния также приняли во внимание плазмонный отклик двух связанных цилиндрических наночастиц и пришли к квантово-механическим поправкам к своей классической теории, которая остается в силе благодаря небольшим нанометровым размерам наночастиц.

Совершенно неожиданно наша теоретическая работа обеспечивает глубокое аналитическое понимание плазмонных возбуждений в цилиндрических наночастицах, что может помочь нашим коллегам-экспериментаторам, производящим металлические наностержни в своих лабораториях .

Д-р Чарльз Даунинг, факультет физики и астрономии, Эксетерский университет

По словам Гийома Вейка из Страсбургского университета: « Существует тенденция к увеличению использования тяжелых вычислений для описания плазмонных систем. В нашей работе, посвященной возврату, мы обнаруживаем, что простые расчеты, выполненные ручкой и бумагой, все еще могут объяснить интригующие явления на переднем крае исследования метаматериалов »

Теоретические достижения могут быть немедленно применены несколькими исследователями, работающими с нанообъектами в современной научной области плазмоники. Исследователи ожидают, что в долгосрочной перспективе плазмонные возбуждения можно будет использовать в сверхкомпактных схемах следующего поколения, хранении данных и преобразовании солнечной энергии по мере того, как технология становится все более и более миниатюрной.

Ссылка на журнал:

Даунинг, К. А. и Вейк, Г. (2020) Плазмонные моды в цилиндрических наночастицах и димерах. Труды Королевского общества A . doi.org/10.1098/rspa.2020.0530.

Источник: https://www.exeter.ac.uk/[19459008visible