Автор: AZoNano [19459[1900]

Прошло более 150 лет с момента публикации «Динамической теории электромагнитного поля» (1865) Джеймсом Клерком Максвеллом. Трудно представить жизнь без этой публикации, поскольку эта работа изменила базовые представления о магнитных полях, электрических полях и свете.

20 изобретательных уравнений (в настоящее время элегантно сокращенных до четырех), объемные функции электронного отклика (диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость) и их граничные условия на границах раздела являются основой способности ученых манипулировать световыми и электромагнитными полями.

Следовательно, визуализация жизни без уравнений Максвелла пытается представить жизнь без большей части современной науки, технологий и коммуникаций.

В макро (больших) масштабах классические граничные условия и функции объемного отклика достаточны для объяснения электромагнитного отклика материалов, но для явлений в меньших масштабах неклассические эффекты становятся существенными.

Традиционная трактовка классического электромагнетизма не объясняет простого существования таких эффектов, как разлив, нелокальность и поверхностное демпфирование Ландау. Почему этот надежный каркас не подходит для наноразмеров?

Это связано с тем, что электронные шкалы длин находятся в центре неклассических явлений и не являются частью классической модели. Электронные шкалы длины можно рассматривать как интервал решетки в твердых телах или радиус Бора: маленькие шкалы, которые имеют значение для доступных квантовых эффектов.

В настоящее время, наконец, существует метод для понимания и моделирования наноразмерных электромагнитных явлений. В новаторской статье Nature под названием «Общая теоретическая и экспериментальная основа для наномасштабного электромагнетизма», Yang et al. представили модель, которая может продлить срок действия макроскопического электромагнетизма в нано-сфере, тем самым ликвидируя разрыв масштаба.

Теоретические исследования показали, что их структура обобщает граничные условия, добавляя электронные шкалы длины в форме так называемых d-параметров Фейбельмана.

Роль d-параметров аналогична роли диэлектрической проницаемости, но для интерфейсов. При численном моделировании каждый интерфейс из двух материалов связан с соответствующими d-параметрами Фейбельмана, а уравнения Максвелла решаются с использованием новых граничных условий.

Авторы этого экспериментального исследования исследовали нанорезонаторы с пленочной связью, типичную многомасштабную архитектуру. Экспериментальная установка была выбрана из-за ее неклассической природы.

Когда мы строили наш эксперимент, нам посчастливилось столкнуться с правильной геометрией, которая позволила нам наблюдать ярко выраженные неклассические особенности, которые на самом деле были неожиданными и волновали всех. Эти особенности в конечном итоге позволили нам измерить d-параметры, которые трудно вычислить для некоторых важных плазмонных материалов, таких как золото (как в нашем случае) .

Йи Янг, ведущий автор исследования, Массачусетский технологический институт

И новая модель, и эксперименты имеют большое значение для различных применений и фундаментальной науки. Это делает ранее неизученные отношения между материаловедением, электромагнетизмом и физикой конденсированных сред, что может привести к дальнейшим теоретическим и экспериментальным открытиям во всех смежных областях, таких как биология и химия.

Что касается приложений, это исследование подчеркивает возможность разработки оптического отклика за пределами классического режима – например, для изучения извлечения большей мощности из излучателей с использованием антенн.

Мы ожидаем, что эта работа окажет существенное влияние. Представляемая нами структура открывает новую главу для современной наноплазмоники – исследования оптических явлений в наноразмерной близости металлических поверхностей – и нанофотоники – поведения света в нанометровом масштабе – и для управления взаимодействием объектов нанометрового масштаба с свет.

Марин Солячич, профессор Массачусетского технологического института

Данное исследование было частично поддержано Исследовательским бюро армии через Институт солдатских нанотехнологий по контракту № W911NF-18-2-0048 и W911NF-13-D-0001 и грант Управления научных исследований ВВС (AFOSR). по контракту № FA9550-18-1-0436.

Y.Y. была частично поддержана программой MRSEC Национального научного фонда в рамках гранта № DMR-1419807. D.Z. была поддержана Национальной научной стипендией от A * STAR, Сингапур.

W.Y. была поддержана программой IdEx Bordeaux-LAPHIA (грант № ANR-10-IDEX-03-02) и проектом «Резонанс» (грант № ANR-16-CE24-0013) Французского национального агентства исследований (ANR). M.Z. был поддержан Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 11574078) Китайским стипендиальным советом. Агар Т.С. был поддержан Датским советом независимых исследований (грант № DFF6108-00667).

Источник: https://isn.mit.edu/