Nanoplasmonica - de studie van lichtmanipulatie op nanometerschaal - heeft bijgedragen aan de productie van nieuwe apparaten voor chemische en biologische detectie, signaalverwerking en zonne-energie. Echter, componenten op zulke kleine schaal ervaren vreemde effecten die de klassieke elektrodynamica niet kan verklaren. Een bijzondere uitdaging voor theoretici ligt in het isoleren van zogenaamde 'niet-lokale' effecten, waarbij de optische eigenschappen van een deeltje niet constant zijn maar afhankelijk zijn van nabije elektromagnetische velden.

Nutsvoorzieningen, Joel Yang en collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore, met medewerkers in het Verenigd Koninkrijk en China, hebben zowel simulaties als experimenten gebruikt om de niet-lokale effecten te onderzoeken die worden weergegeven door elektronen in metalen nanostructuren.

Het team ontwikkelde driedimensionale simulaties van elektronen-energieverliesspectroscopie (EELS) spectra. EELS is een krachtige laboratoriumtechniek die informatie kan verschaffen over nanostructuurgeometrieën, maar geeft ook aanleiding tot niet-lokale effecten. Een EELS-apparaat wordt gebruikt om energetische elektronen af ​​te vuren op een metalen nanostructuur en vervolgens om te meten hoeveel energie de elektronen verliezen wanneer ze plasmonresonanties in het monster opwekken. Eerder, het was moeilijk voor experimentatoren om EELS-spectra correct te interpreteren, omdat de niet-lokale effecten in de huidige theorie - de relevante oplossingen van Maxwells veldvergelijkingen - niet in aanmerking worden genomen.

Yang en collega's presenteren de eerste volledige driedimensionale oplossing van de Maxwell-vergelijkingen voor een monster dat wordt onderzocht door een EELS-bron. "Onze theoretische configuratie bootst de experimentele opstelling na en de vergelijkingen waren, Voor de eerste keer, geïmplementeerd en opgelost met behulp van commerciële software, " zegt Yang.

De onderzoekers pasten hun theorie toe op driehoekige gouden nanoprisma's en concludeerden dat significante niet-lokale effecten optreden wanneer de zijlengte van de prisma's kleiner is dan 10-50 nanometer, waardoor een ruimtelijke spreiding van elektromagnetische velden ontstaat. Vervolgens onderzochten ze echte EELS-resultaten voor gouden 'vlinderdas'-nanostructuren - elke gouden vlinderdas werd gemaakt door twee nanoprisma's op hun pieken samen te voegen met gouden bruggen zo smal als 1,6 nanometer (zie afbeelding).

De echte strikjes vertoonden een vergelijkbare ruimtelijke veldspreiding als verwacht voor enkele prisma's, maar met sterk verminderde hoogfrequente geleiding bij de smalle verbindingsbruggen. De onderzoekers speculeren dat de veldreductie wordt veroorzaakt door twee factoren die niet in hun model zijn opgenomen:kwantitatieve opsluiting in de smalle bruggen en elektronenverstrooiing vanaf korrelgrenzen. Deze factoren helpen om de wisselwerking tussen niet-lokaliteit en geometrie te verklaren.

"Bestaande modellen hebben de neiging om metalen te behandelen met homogene optische eigenschappen, " zegt Yang. "Onze resultaten suggereren dat we op nanoschaal rekening moeten houden met kwantumopsluiting en granulariteit."