(Phys.org) —De alomtegenwoordige van der Waals interactie - een gevolg van kwantumladingsfluctuaties - omvat intermoleculaire krachten zoals aantrekking en afstoting tussen atomen, moleculen en oppervlakken. De kracht op lange afstand die tussen deeltjes werkt, het beïnvloedt een reeks verschijnselen, waaronder oppervlakteadhesie, wrijving en colloïdstabiliteit. Typisch een eenvoudige taak wanneer parallelle oppervlakken verder uit elkaar liggen dan 10 nanometer, berekenen van van der Waals-krachten tussen, bijvoorbeeld, een paar nanobolletjes minder dan vijf nanometer uit elkaar wordt heel moeilijk. Bovendien, de laatste schaal vereist dat het effect van niet-lokaliteit (de directe interactie van twee objecten die gescheiden zijn in de ruimte zonder waarneembaar tussenorgaan of mechanisme) wordt overwogen, complexiteit introduceren in, en daardoor verder belemmeren, analyse.

Onlangs, echter, wetenschappers aan het Imperial College London, Londen stelde een eenvoudige analytische oplossing voor, laten zien – voor de eerste keer, de onderzoekers zeggen dat niet-lokaliteit in 3D-plasmonische systemen nauwkeurig kan worden geanalyseerd met behulp van transformatie-optica. ( Plasmonen zijn quasideeltjes die voortkomen uit de kwantisering van plasmaoscillaties bij optische frequenties; door elektromagnetische velden op een specifieke manier te ordenen, transformatie optica bepaalt de richting waarin elektromagnetische straling zich zal voortplanten.) De wetenschappers suggereren ook dat hun resultaten het onderliggende begrip van niet-lokale effecten in plasmonische nanostructuren vergroten.

Prof. Sir John Pendry besprak het artikel dat hij, Dr. Yu Luo en Dr. Rongkuo Zhao gepubliceerd in the Proceedings van de National Academy of Sciences . "Niet-lokaliteit introduceert computationele complexiteit die het maken van berekeningen moeilijk maakt, "Pendry vertelt" Phys.org . "We hebben een tijdelijke oplossing gevonden die de berekeningen aanzienlijk vereenvoudigt door het niet-lokale systeem te vervangen door een lokaal systeem dat de resultaten met een hoge mate van nauwkeurigheid reproduceert." specifiek, de wetenschappers toonden aan dat niet-lokaliteit in 3D-plasmonische systemen nauwkeurig kan worden geanalyseerd met behulp van de transformatie-optica-benadering - de eerste keer dat de techniek is toegepast op van der Waals-krachten - die ze hebben toegepast om het probleem op te lossen van het opnemen van niet-lokale effecten wanneer twee lichamen op nanoschaal op elkaar inwerken .

"De sleutel tot het succesvol benutten van transformatie-optica, "Pendry wijst erop, "is om de juiste transformatie te kiezen. In ons geval waren we in staat om het probleem van twee bijna elkaar rakende bollen om te zetten in het veel symmetrischere probleem van twee concentrische bollen." Door dit te doen, de onderzoekers moesten twee uitdagingen aangaan:

· het probleem betrof verschillende lengteschalen, wat betekent dat ze rekening moesten houden met de bollen zelf (~10nm) en de afstand ertussen, die ze probeerden te duwen tot de limiet van één atomaire afstand (~ 0,2 nm)

· het feit dat de krachten afhankelijk zijn van bijdragen van veel verschillende frequenties over een bereik van bijna 100eV

Pendry merkt op dat onderzoekers nu pas de gevolgen beginnen te onderzoeken van niet-lokaliteit in oppervlaktefenomenen op nanoschaal, en zijn bezig met het bouwen van betrouwbare modellen. "De krachten op nanoschaal in ons artikel zijn slechts één voorbeeld van waar het belangrijk is om niet-lokaliteit te behandelen, waarbij de belangrijkste complicatie is dat de reactie van een systeem op een bepaald punt niet alleen afhangt van de elektromagnetische velden op dat punt, maar ook op de velden in de omliggende regio - een probleem dat veel traditionele benaderingen niet oplossen."

In hun krant de wetenschappers ontdekten dat niet-lokaliteit de veldverbetering tussen de sferen dramatisch verzwakt, en daarmee de van der Waals interactie. "van der Waals-krachten - hoewel ze een groot bereik hebben in vergelijking met standaard chemische bindingen - zijn alleen significant wanneer oppervlakken vrij dicht bij elkaar liggen, " legt Pendry uit. "De standaard lokale theorie voorspelt oneindige kracht in de limiet die oppervlakken raken - maar dit is natuurlijk onzin. Daarom, voorspellingen die zinvol zijn en kunnen worden vergeleken met experimenten, moeten rekening houden met niet-lokaliteit."

gerelateerd, het artikel stelt dat chemische binding - hoewel dit geen expliciete zorg is in deze studie - de uiteindelijke benadering zal domineren net voordat de oppervlakken elkaar raken op een paar tienden van een nanometer, op dat moment zal direct contact van de ladingen in het spel komen via elektronentunneling. "De krachten die we beschouwen zijn complementair aan chemische binding, "Pendry verduidelijkt, "in die zin dat de huidige theoretische benadering van chemische bindingen gebruik maakt van de lokale dichtheidsbenadering. Met andere woorden, net zoals een studie van pure van der Waals-krachten chemische binding weglaat, dus een puur lokale dichtheidsstudie van bindingen heeft niets te zeggen over de dispersiekrachten op langere afstand die we berekenen. Natuurlijk, op een gegeven moment moeten de twee samenkomen ... maar om dat te laten gebeuren hebben we experimentele input nodig - en theoretische studies van de Van der Waals-krachten zijn de eerste stappen om dit mogelijk te maken."

De benadering die in het artikel wordt beschreven, maakt analytisch onderzoek van niet-lokale 3D-problemen mogelijk en biedt tegelijkertijd inzicht in het begrip van niet-lokale effecten in plasmonische nanostructuren. "Berekeningen zijn altijd moeilijk bij het behandelen van enkelvoudige structuren - waarmee we situaties bedoelen zoals de bijna elkaar rakende bollen die in ons artikel worden beschouwd - maar ook de interactie van naaldscherpe punten met oppervlakken, Pendry legt uit. "Het gebruik van transformaties om de singulariteit te ontrafelen, onthult hoe de krachten werken in elk van deze situaties, en stelt ons in feite vaak in staat om een ​​gemeenschappelijke oorsprong aan te tonen." over hoe hun resultaten de ontwikkeling van functionele subnanometersubstraten kunnen beïnvloeden, hij voegt eraan toe dat "elk nanomechanisch systeem rekening moet houden met de effecten van van der Waals-krachten - en ons artikel is een poging om ons begrip van deze problemen te vergroten."

Vooruit kijken, Pendry vertelt Phys.org dat Van der Waals-troepen slechts de eerste stap zijn in een reeks onderzoeken die de wetenschappers al hebben gepland. "Aan de nabije horizon is warmteoverdracht tussen oppervlakken die dichtbij zijn maar niet in fysiek contact:elektromagnetische fluctuaties die verantwoordelijk zijn voor de van der Waals-kracht zorgen er ook voor dat warmte over de opening springt - een effect dat verschilt van, en veel sterker dan stralingskoeling." (Radiatieve koeling is het proces waarbij een lichaam warmte verliest door thermische straling.) "Op de langere termijn, we zullen proberen onze theorie van kwantumwrijving te generaliseren, waarbij oppervlakken die dichtbij maar niet in fysiek contact zijn wrijvingsweerstand kunnen ervaren. Niet-lokaliteit is ook een belangrijk thema in de effecten."

Tot slot, Pendry merkt op dat verschillende andere onderzoeksgebieden baat kunnen hebben bij hun studie, gegeven dat transformatie-optica een zeer algemene techniek is in de elektromagnetische theorie. "De huidige studie is slechts één in een hele reeks toepassingen. We hebben al veel studies gezien over de toepassing ervan op onzichtbaarheid, en we hebben het uitgebreid gebruikt om intense veldverbeteringen in plasmonische structuren te bestuderen, zoals oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie. In feite, vrijwel elk probleem waarbij elektromagnetische straling in wisselwerking staat met een fysieke structuur zou potentieel baat kunnen hebben bij transformatie-optica - en in het geval van plasmonische systemen, niet-lokaliteit zal altijd een belangrijk probleem zijn wanneer oppervlakte in de buurt wordt overwogen."

© 2015 Fys.org