Nanoskala naboer:Første brug af transformationsoptik til nøjagtigt at analysere ikke -lokalitet i 3D plasmoniske systemer

(Phys.org) - Det allestedsnærværende van der Waals interaktion - en konsekvens af kvantladningssvingninger - omfatter intermolekylære kræfter såsom tiltrækning og frastødning mellem atomer, molekyler og overflader. Den mest langtrækkende kraft, der virker mellem partikler, det påvirker en række fænomener, herunder vedhæftning af overflader, friktion og kolloid stabilitet. Typisk en simpel opgave, når parallelle overflader er længere fra hinanden end 10 nanometer, beregning af van der Waals kræfter mellem, for eksempel, et par nanosfærer mindre end fem nanometer fra hinanden bliver ret vanskeligt. I øvrigt, sidstnævnte skala kræver, at virkningen af ​​ikke -lokalitet (den direkte vekselvirkning mellem to objekter, der er adskilt i rummet uden noget opfatteligt mellemliggende organ eller mekanisme) overvejes, indføre kompleksitet i, og derved hæmme yderligere, analyse.

For nylig, imidlertid, forskere ved Imperial College London, London foreslog en simpel analytisk løsning, viser - for første gang, siger forskerne - at ikke -lokalitet i 3D plasmoniske systemer kan analyseres nøjagtigt ved hjælp af transformationsoptik. ( Plasmoner er kvasipartikler, der stammer fra kvantiseringen af ​​plasmasvingninger ved optiske frekvenser; ved at arrangere elektromagnetiske felter på en bestemt måde, transformationsoptik bestemmer i hvilken retning elektromagnetisk stråling vil forplante sig.) Forskerne foreslår også, at deres resultater øger den underliggende forståelse af ikke -lokale effekter i plasmoniske nanostrukturer.

Professor Sir John Pendry diskuterede papiret om, at han, Dr. Yu Luo og Dr. Rongkuo Zhao offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences . "Nonlocality introducerer beregningskompleksitet, der gør det svært at udføre beregningerne, "Fortæller Pendry Phys.org . "Vi har fundet en løsning, der i høj grad forenkler beregningerne ved at erstatte det ikke -lokale system med et lokalt system, der gengiver resultaterne med en høj grad af nøjagtighed." Specifikt, forskerne viste, at ikke -lokalitet i 3D plasmoniske systemer kan analyseres nøjagtigt ved hjælp af transformationsoptikmetoden - første gang, teknikken er blevet anvendt på van der Waals kræfter - som de anvendte for at løse problemet med at inkludere ikke -lokale effekter, når to nanoskala -legemer interagerer .

"Nøglen til med succes at udnytte transformationsoptik, "Pendry påpeger, "er at vælge den rigtige transformation. I vores tilfælde var vi i stand til at omdanne problemet med to næsten rørende kugler til det meget mere symmetriske problem med to koncentriske sfærer." Ved at gøre sådan, forskerne måtte tage fat på to udfordringer:

· Problemet involverede flere længdeskalaer, hvilket betyder, at de var nødt til at tage hensyn til selve kuglerne (~ 10 nm) samt afstanden mellem dem, som de forsøgte at skubbe til grænsen for en atomafstand (~ 0,2 nm)

· Det faktum, at kræfterne afhænger af bidrag fra mange forskellige frekvenser over et område på næsten 100 eV

Pendry bemærker, at forskere først nu begynder at undersøge konsekvenserne af ikke -lokalitet i nanoskala overfladefænomener, og er i gang med at bygge pålidelige modeller. "Nanoskala -kræfterne i vores papir er kun et eksempel på, hvor det er vigtigt at behandle ikke -lokalitet, hvor hovedkomplikationen er, at et systems respons på et givent punkt ikke kun afhænger af de elektromagnetiske felter på det tidspunkt, men også på markerne i den omkringliggende region - et problem, som mange traditionelle metoder ikke løser. "

I deres papir, forskerne fandt ud af, at ikke -lokalitet dramatisk svækker feltforbedringen mellem sfærerne, og derved van der Waals interaktion. "van der Waals kræfter - selvom de er lange i forhold til standard kemiske bindinger - er kun signifikante, når overflader er ganske tæt på hinanden, "Pendry forklarer." Lokal standardteori forudsiger uendelig kraft i den grænse, overflader rører ved - men det er naturligvis nonsens. Derfor, forudsigelser, der giver mening og kan sammenlignes med eksperimenter, skal tage hensyn til ikke -lokalitet. "

Tilsvarende papiret siger, at kemisk binding - selvom det ikke er en eksplicit bekymring i denne undersøgelse - vil dominere den endelige tilgang lige før overfladerne rører ved et par tiendedele af et nanometer, på hvilket tidspunkt vil direkte kontakt med afgifterne komme i spil via elektrontunnel. "De kræfter, vi betragter, er komplementære til kemisk binding, "Pendry præciserer, "ved at den nuværende teoretiske tilgang til kemiske bindinger udnytter den lokale tæthedstilnærmelse. Med andre ord, ligesom en undersøgelse af rene van der Waals kræfter udelader kemisk binding, så en ren lokal densitetsundersøgelse af bindinger har intet at sige om de længere rækkevidde spredningskræfter, som vi beregner. Selvfølgelig, på et eller andet tidspunkt skal de to komme sammen ... men for at det skal ske, har vi brug for eksperimentelle input - og teoretiske undersøgelser af van der Waals -kræfterne er de første trin i at få dette til at ske. "

Den fremgangsmåde, der er beskrevet i papiret, gør analytisk undersøgelse af 3D -ikke -lokale problemer mulig og giver samtidig indsigt i forståelsen af ​​ikke -lokale effekter i plasmoniske nanostrukturer. "Beregninger er altid vanskelige ved behandling af entydige strukturer-hvorved vi mener situationer som de næsten rørende kugler, der betragtes i vores papir-men også interaktionen mellem nålskarpe punkter og overflader, "Pendry forklarer." Ved hjælp af transformationer til at opklare singulariteten afslører man, hvordan kræfterne fungerer i hver af disse situationer, og faktisk ofte sætter os i stand til at vise en fælles oprindelse. "F.eks. om hvordan deres resultater kan påvirke udviklingen af ​​funktionelle subnanometersubstrater, han tilføjer, at "ethvert nanomekanisk system skal overveje virkningerne af van der Waals kræfter - og vores papir er et forsøg på at fremme vores forståelse af disse problemer."

Ser frem til, Pendry fortæller Phys.org at van der Waals styrker blot er det første skridt i en række undersøgelser, forskerne allerede har planlagt. "På den nærmeste horisont er varmeoverførsel mellem overflader, der er tæt på, men ikke er i fysisk kontakt:Elektromagnetiske udsving, der er ansvarlige for van der Waals -kraften, gør også, at varmen kan springe hen over hullet - en anden effekt end, og meget stærkere end, strålende køling. "(Strålende køling er den proces, hvorved et legeme mister varme ved termisk stråling.)" På længere sigt, vi vil forsøge at generalisere vores teori om kvantefriktion, hvorved overflader, der er tætte, men ikke i fysisk kontakt, kan opleve friktionstræk. Ikke -lokalitet er også et vigtigt spørgsmål i virkningerne. "

Afslutningsvis Pendry bemærker, at flere andre forskningsområder kan have gavn af deres undersøgelse, da transformationsoptik er en meget generel teknik inden for elektromagnetisk teori. "Den nuværende undersøgelse er kun én i en hel række applikationer. Vi har allerede set mange undersøgelser af dens anvendelse på usynlighed, og vi har brugt det i vid udstrækning til at studere intense feltforbedringer i plasmoniske strukturer, såsom overfladeforbedret Raman -spektroskopi. Faktisk, stort set ethvert problem, der har elektromagnetisk stråling, der interagerer med en fysisk struktur, kan potentielt have fordel af transformationsoptik - og i tilfælde af plasmoniske systemer, ikke -lokalitet vil altid være et vigtigt spørgsmål, når overflade i nærheden overvejes. "

© 2015 Phys.org