Fysikere løser geometriske puslespil i elektromagnetisme

Et team af forskere har løst det langvarige problem med, hvordan elektroner bevæger sig sammen som en gruppe inde i cylindriske nanopartikler.

Den nye forskning giver et uventet teoretisk gennembrud inden for elektromagnetisme, med perspektiver for metamaterialeforskning.

Holdet af teoretiske fysikere, fra University of Exeter og University of Strasbourg, skabt en elegant teori, der forklarer, hvordan elektroner bevæger sig kollektivt i små metal nanopartikler formet som cylindre.

Arbejdet har ført til ny forståelse af, hvordan lys og stof interagerer på nanoskala, aland har implikationer for realiseringen af ​​fremtidige nanoskalaenheder, der udnytter nanopartikelbaserede metamaterialer med spektakulære optiske egenskaber.

Metalliske nanopartikler har en positivt ladet ionisk kerne, med en sky af negativt ladede elektroner, der hvirvler rundt. Når der skinner lys på sådan en metalgenstand, den elektroniske sky forskydes.

Denne forskydning får hele gruppen af ​​elektroner til at blive sat i svingning omkring den positive kerne. Gruppen af ​​elektroner, der skvulper frem og tilbage, opfører sig som en enkelt partikel (en såkaldt kvasipartikel), kendt som en "plasmon".

Plasmonen er primært karakteriseret ved den frekvens, hvormed den svinger, som er kendt som plasmonresonansfrekvensen.

At undersøge, hvordan resonansfrekvensen af ​​plasmonen ændrer sig afhængigt af geometrien af ​​dens hosting-nanopartikel er en grundlæggende opgave i moderne elektromagnetisme. Det menes almindeligvis, at kun nogle bestemte nanopartikelgeometrier kan beskrives med analytisk teori - dvs. uden at ty til tunge, tidskrævende numeriske beregninger.

Listen over geometrier, der tillader en analytisk beskrivelse, menes generelt at være meget kort, kun sammensat af sfæriske og ellipsoide nanopartikler.

Dette faktum er meget ubelejligt på grund af den eksperimentelle allestedsnærværende af cylindriske nanopartikler, som opstår i en række størrelsesforhold fra lange, nålelignende nanotråde til at tynde ud, pandekagelignende nanodiske.

I forskningen, forskerne behandlede, hvordan plasmoner i cylindriske nanopartikler oscillerer. Ved at bruge en teoretisk teknik inspireret af kernefysik, forskerne byggede en elegant analytisk teori, der beskriver opførselen af ​​plasmoner i cylindre med et vilkårligt aspektforhold.

Teorien har muliggjort en komplet beskrivelse af cylindriske plasmoniske nanopartikler, beskriver simpelthen den plasmoniske resonans i metalliske nanopartikler fra nanotråde til cirkulære nanoskiver.

De to teoretikere af kondenseret stof overvejede også den plasmoniske reaktion af et par koblede cylindriske nanopartikler og fandt kvantemekaniske korrektioner til deres klassiske teori, hvilket er relevant på grund af den lille, nanometriske dimensioner af nanopartiklerne.

Dr. Charles Downing fra University of Exeters afdeling for fysik og astronomi forklarer:"Helt uventet, vores teoretiske arbejde giver dyb, analytisk indsigt i plasmoniske excitationer i cylindriske nanopartikler, som kan hjælpe med at vejlede vores eksperimentelle kolleger, der fremstiller metalliske nanorods i deres laboratorier."

Guillaume Weick fra University of Strasbourg tilføjer:"Der er en tendens til stigende afhængighed af heavy duty-beregninger for at beskrive plasmoniske systemer. I vores throwback-arbejde, vi afslører, at ydmyge pen-og-papir-beregninger stadig kan forklare spændende fænomener på forkant med metamaterialeforskning."

Det teoretiske gennembrud er til umiddelbar nytte for en række forskere, der arbejder med nanoobjekter inden for den banebrydende videnskab inden for plasmonik. Længere sigt, det er håbet, at plasmoniske excitationer kan udnyttes i den næste generation af ultrakompakte kredsløb, konvertering af solenergi og datalagring, efterhånden som vores teknologi bliver mere og mere miniaturiseret.

Plasmoniske tilstande i cylindriske nanopartikler og dimerer er udgivet i Proceedings of the Royal Society A .