Een team van wetenschappers heeft het al lang bestaande probleem opgelost van hoe elektronen als een groep samen bewegen in cilindrische nanodeeltjes.

Het nieuwe onderzoek zorgt voor een onverwachte theoretische doorbraak op het gebied van elektromagnetisme, met perspectieven voor metamaterialenonderzoek.

Het team van theoretische fysici, van de Universiteit van Exeter en de Universiteit van Straatsburg, creëerde een elegante theorie die uitlegt hoe elektronen collectief bewegen in kleine metalen nanodeeltjes in de vorm van cilinders.

Het werk heeft geleid tot een nieuw begrip van hoe licht en materie op nanoschaal op elkaar inwerken. aland heeft implicaties voor de realisatie van toekomstige apparaten op nanoschaal die gebruikmaken van op nanodeeltjes gebaseerde metamaterialen met spectaculaire optische eigenschappen.

Metalen nanodeeltjes hebben een positief geladen ionische kern, met een wolk van negatief geladen elektronen eromheen. Als er licht op zo'n metalen voorwerp schijnt, de elektronische wolk wordt verplaatst.

Door deze verplaatsing wordt de hele groep elektronen om de positieve kern in trilling gebracht. De groep elektronen die heen en weer klotst, gedraagt ​​zich als een enkel deeltje (een zogenaamd quasideeltje), bekend als een 'plasmon'.

Het plasmon wordt voornamelijk gekenmerkt door de frequentie waarmee het oscilleert, die bekend staat als de plasmonresonantiefrequentie.

Onderzoeken hoe de resonantiefrequentie van het plasmon verandert, afhankelijk van de geometrie van het nanodeeltje waar het zich bevindt, is een fundamentele taak in het moderne elektromagnetisme. Er wordt algemeen aangenomen dat slechts enkele specifieke geometrieën van nanodeeltjes kunnen worden beschreven met analytische theorie, dat wil zeggen, zonder toevlucht te nemen tot zware, tijdrovende numerieke berekeningen.

Algemeen wordt aangenomen dat de lijst van geometrieën die een analytische beschrijving mogelijk maakt erg kort is, bestaat uit alleen bolvormige en ellipsvormige nanodeeltjes.

Dit feit is zeer onhandig vanwege de experimentele alomtegenwoordigheid van cilindrische nanodeeltjes, die in verschillende beeldverhoudingen ontstaan ​​uit lange, naaldachtige nanodraden te dun, pannenkoekachtige nanoschijven.

In het onderzoek, de onderzoekers gingen in op hoe plasmonen in cilindrische nanodeeltjes oscilleren. Door een theoretische techniek te gebruiken die is geïnspireerd op de kernfysica, de onderzoekers bouwden een elegante analytische theorie die het gedrag van plasmonen in cilinders met een willekeurige aspectverhouding beschrijft.

De theorie heeft een volledige beschrijving mogelijk gemaakt van cilindrische plasmonische nanodeeltjes, het beschrijven van eenvoudig de plasmonische resonantie in metalen nanodeeltjes van nanodraden tot circulaire nanoschijven.

De twee theoretici van de gecondenseerde materie beschouwden ook de plasmonische respons van een paar gekoppelde cilindrische nanodeeltjes en vonden kwantummechanische correcties voor hun klassieke theorie, wat relevant is vanwege de kleine, nanometrische afmetingen van de nanodeeltjes.

Dr. Charles Downing van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de Universiteit van Exeter legt uit:"Heel onverwacht, ons theoretische werk biedt diepgaande, analytisch inzicht in plasmonische excitaties in cilindrische nanodeeltjes, die kunnen helpen om onze experimentele collega's te begeleiden bij het fabriceren van metalen nanostaafjes in hun laboratoria."

Guillaume Weick van de Universiteit van Straatsburg voegt toe:"Er is een trend om steeds meer te vertrouwen op zware berekeningen om plasmonische systemen te beschrijven. we onthullen dat eenvoudige pen-en-papierberekeningen nog steeds intrigerende fenomenen kunnen verklaren in de voorhoede van metamaterialenonderzoek."

De theoretische doorbraak is van onmiddellijk nut voor een groot aantal wetenschappers die met nano-objecten werken in de geavanceerde wetenschap van plasmonica. Langere termijn, het is te hopen dat plasmonische excitaties kunnen worden benut in de volgende generatie ultracompacte circuits, zonne-energieconversie en gegevensopslag, aangezien onze technologie steeds kleiner wordt.

Plasmonische modi in cilindrische nanodeeltjes en dimeren is gepubliceerd in Proceedings van de Royal Society A .