Сотрудники Вычислительного математического центра МГУ провели исследование квантовых явлений, возникающих в системах, состоящих из наночастиц золота и натрия. О результатах работы сообщается в журнале Moscow University Physics Bulletin.
Нанооптика и нанофотоника нового поколения применяют металлические наночастицы для манипулирования светом в ультрамалых размерах. Взаимодействие наночастиц приводит к образованию «горячих точек» – зон с необычайно сильным электромагнитным полем. Именно эти явления служат основой для разработки инновационных сенсоров, технологий квантовой связи и оптических вычислений. Однако при расстояниях в несколько нанометров классические модели оказываются неточными, поскольку начинают проявляться квантовые эффекты.
Исследователи из МГУ продемонстрировали существенные различия в поведении золота и натрия при рассмотрении квантового эффекта. Применительно к золоту, интенсивность поля в зазоре снижается, а плазмонный резонанс сдвигается к более коротковолновой области. Для натрия, напротив, отмечается усиление поля и смещение в область более длинных волн.
«Проведенные нами расчеты выявили, что натрий и золото проявляют совершенно разные тенденции в условиях квантового поверхностного отклика. У золота наблюдается эффект подавления, в то время как для натрия он выступает как усилитель. Данная особенность расширяет перспективы применения щелочных металлов в нанофотонике», — отмечает Владимир Лопушенко, ведущий научный сотрудник лаборатории математической физики механико-математического факультета МГУ.
В ходе исследования ученые использовали метод дискретных источников и параметры Файбельмана. Такой подход позволяет учесть пространственную нелокальность и «выплеск» электронов за пределы поверхности металла. Это дает возможность описывать процессы, которые не рассматриваются в рамках классической электродинамики, однако имеют решающее значение при работе на наноуровне.
«Впервые мы провели количественное описание необычного усиления поля в соединениях наночастиц натрия. Этот эффект может найти применение при создании оптических сенсоров нового поколения, основанных на плазмонных резонансах. Он также открывает возможности для разработки новых способов управления светом в наноструктурах», — отмечает Юрий Еремин, ведущий научный сотрудник лаборатории вычислительной электродинамики, входящей в состав Высшей школы экономики МГУ.
Авторы акцентируют внимание на том, что их разработка имеет значение не только для фундаментальной физики, но и для прикладных исследований. Управление электромагнитными полями на уровне нескольких нанометров открывает возможности для применения в медицине (нанодиагностика), материаловедении и телекоммуникациях.