Skål! Maxwells elektromagnetisme strakte sig til mindre skalaer

Den 11. december, 2019, en generel ramme for at inkorporere og korrigere for ikke -klassiske elektromagnetiske fænomener i nanoskala systemer vil blive præsenteret i tidsskriftet Natur .

Mere end 150 år er gået siden udgivelsen af ​​James Clerk Maxwells "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). Hans afhandling revolutionerede den grundlæggende forståelse af elektriske felter, magnetfelter og lys. De 20 originale ligninger (elegant reduceret til fire i dag), deres randbetingelser ved grænseflader, og bulk elektroniske responsfunktioner (dielektrisk tilladelse og magnetisk permeabilitet) er roden til evnen til at manipulere elektromagnetiske felter og lys.

Livet uden Maxwells ligninger ville mangle den mest aktuelle videnskab, kommunikation og teknologi.

På store (makro) skalaer, bulkresponsfunktioner og de klassiske randbetingelser er tilstrækkelige til at beskrive materialers elektromagnetiske respons, men da vi betragter fænomener på mindre skalaer, ikke -klassiske effekter bliver vigtige. En konventionel behandling af klassisk elektromagnetisme tager ikke højde for den blotte eksistens af virkninger såsom ikke -lokalitet, udslip, og overfladeaktiveret Landau-dæmpning. Hvorfor bryder denne kraftfulde ramme ned på nanoskalaer? Problemet er, at elektroniske længdeskalaer er kernen i ikke -klassiske fænomener, og de er ikke en del af den klassiske model. Elektroniske længdeskalaer kan betragtes som Bohr -radius eller gitterafstanden i faste stoffer:små skalaer, der er relevante for de kvanteeffekter, der er til rådighed.

I dag, vejen til forståelse og modellering af nanoskala elektromagnetiske fænomener er endelig åben. I gennembruddet Natur papir "En generel teoretisk og eksperimentel ramme for nanoskalaelektromagnetisme, "Yang et al. Præsenterer en model, der forlænger gyldigheden af ​​den makroskopiske elektromagnetisme til nanoregimet, bygge bro mellem skalaen. På den teoretiske side, deres ramme generaliserer randbetingelserne ved at inkorporere de elektroniske længdeskalaer i form af såkaldte Feibelman d-parametre.

D-parametrene spiller en rolle, der er analog med permittivitetens, men til grænseflader. Med hensyn til numerisk modellering, det er nødvendigt at parre hver to-materiel grænseflade med tilhørende Feibelman d-parametre og løse Maxwells ligninger med de nye randbetingelser.

På den eksperimentelle side, forfatterne undersøger filmkoblede nanoresonatorer, en karakteristisk multiscale arkitektur. Det eksperimentelle setup blev valgt på grund af dets ikke -klassiske karakter.

Ikke desto mindre, nyligt uddannet postdoc og hovedforfatter Yi Yang siger, "Da vi byggede vores eksperiment, vi var så heldige at løbe ind i den rigtige geometri, der gjorde det muligt for os at observere de udtalte ikke -klassiske træk, som faktisk var uventede og begejstrede alle. Disse funktioner gjorde os i sidste ende i stand til at måle d-parametre, som er svære at beregne for nogle vigtige plasmoniske materialer som guld (som i vores tilfælde). "

Den nye model og eksperimenter er vigtige både for fundamental videnskab og for forskellige anvendelser. Det skaber en hidtil uudforsket forbindelse mellem elektromagnetisme, materialevidenskab, og kondenseret fysik - en der kan føre til yderligere teoretiske og eksperimentelle opdagelser inden for alle beslægtede områder, herunder kemi og biologi. Anvendelsesmæssigt, dette arbejde peger på muligheden for at konstruere det optiske svar ud over det klassiske regime - et eksempel ville være at undersøge, hvordan man kan udvinde mere strøm fra emittere ved hjælp af antenner.

MIT-professor Marin Soljacic er begejstret:"Vi forventer, at dette arbejde vil få betydelig indflydelse. De rammer, vi præsenterer, åbner et nyt kapitel for banebrydende nanoplasmonik-studiet af optiske fænomener i metaloverfladernes nanoskala-og nanofotonik-adfærd hos lys på nanometerskalaen-og til styring af interaktionen mellem objekter i nanometerskala med lys. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.