Op 11 december 2019, een algemeen kader voor het opnemen en corrigeren van niet-klassieke elektromagnetische verschijnselen in nanoschaalsystemen zal in het tijdschrift worden gepresenteerd Natuur .

Meer dan 150 jaar zijn verstreken sinds de publicatie van James Clerk Maxwell's "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). Zijn verhandeling bracht een revolutie teweeg in het fundamentele begrip van elektrische velden, magnetische velden en licht. De 20 originele vergelijkingen (vandaag elegant teruggebracht tot vier), hun randvoorwaarden op grensvlakken, en de bulk elektronische responsfuncties (diëlektrische permitiviteit en magnetische permeabiliteit) liggen aan de basis van het vermogen om elektromagnetische velden en licht te manipuleren.

Het leven zonder de vergelijkingen van Maxwell zou de meeste huidige wetenschap missen, communicatie en technologie.

Op grote (macro)schalen, bulkresponsfuncties en de klassieke randvoorwaarden zijn voldoende om de elektromagnetische respons van materialen te beschrijven, maar als we verschijnselen op kleinere schaal beschouwen, niet-klassieke effecten worden belangrijk. Een conventionele behandeling van klassiek elektromagnetisme houdt geen rekening met het loutere bestaan ​​van effecten zoals niet-lokaliteit, morsen, en oppervlakte-enabled Landau demping. Waarom valt dit krachtige raamwerk op nanoschaal uiteen? Het probleem is dat elektronische lengteschalen de kern vormen van niet-klassieke fenomenen, en ze maken geen deel uit van het klassieke model. Elektronische lengteschalen kunnen worden gezien als de Bohr-straal of de roosterafstand in vaste stoffen:kleine schalen die relevant zijn voor de kwantumeffecten die voorhanden zijn.

Vandaag, de weg naar het begrijpen en modelleren van elektromagnetische verschijnselen op nanoschaal is eindelijk open. In de doorbraak Natuur paper "Een algemeen theoretisch en experimenteel raamwerk voor nanoschaalelektromagnetisme, " Yang et al. presenteren een model dat de geldigheid van het macroscopische elektromagnetisme uitbreidt tot het nanoregime, het overbruggen van de schaalkloof. Aan de theoretische kant, hun raamwerk veralgemeent de randvoorwaarden door de elektronische lengteschalen op te nemen in de vorm van zogenaamde Feibelman d-parameters.

De d-parameters spelen een rol die analoog is aan die van de permittiviteit , maar voor interfaces. Op het gebied van numerieke modellering, het is noodzakelijk om elke twee-materiaalinterface te koppelen aan bijbehorende Feibelman d-parameters en de Maxwell-vergelijkingen op te lossen met de nieuwe randvoorwaarden.

Aan de experimentele kant, de auteurs onderzoeken filmgekoppelde nanoresonatoren, een typische architectuur met meerdere schalen. De experimentele opstelling is gekozen vanwege het niet-klassieke karakter.

Toch, onlangs afgestudeerde postdoc en hoofdauteur Yi Yang zegt:"Toen we ons experiment bouwden, we hadden het geluk om de juiste geometrie tegen te komen die ons in staat stelde de uitgesproken niet-klassieke kenmerken te observeren, die eigenlijk onverwacht waren en iedereen enthousiast maakten. Deze functies hebben ons uiteindelijk in staat gesteld om de d-parameters te meten, die moeilijk te berekenen zijn voor sommige belangrijke plasmonische materialen zoals goud (zoals in ons geval)."

Het nieuwe model en de experimenten zijn belangrijk voor zowel de fundamentele wetenschap als voor diverse toepassingen. Het maakt een tot nu toe onontgonnen verband tussen elektromagnetisme, materiaal wetenschap, en fysica van de gecondenseerde materie - een die zou kunnen leiden tot verdere theoretische en experimentele ontdekkingen op alle verwante gebieden, inclusief scheikunde en biologie. Toepassingsgewijs, dit werk wijst op de mogelijkheid om de optische respons buiten het klassieke regime te ontwikkelen - een voorbeeld zou zijn om te onderzoeken hoe meer vermogen uit zenders kan worden gehaald met behulp van antennes.

MIT-professor Marin Soljacic is enthousiast:"We verwachten dat dit werk een substantiële impact zal hebben. Het raamwerk dat we presenteren opent een nieuw hoofdstuk voor geavanceerde nanoplasmonica - de studie van optische fenomenen in de nabijheid van metalen oppervlakken op nanoschaal - en nanofotonica - het gedrag van licht op nanometerschaal - en voor het regelen van de interactie van objecten op nanometerschaal met licht."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.