Ученые ВМК МГУ разработали способ анализа квантовых явлений, таких как пространственная нелокальность, расщепление электронного облака и затухание Ландау, в парах золотых наночастиц. По результатам исследования можно более точно моделировать взаимодействие света с наноструктурами, что открывает новые возможности для создания нанобиосенсоров и новых нанофотонных технологий. Photonics».
Наночастицы благородных металлов, например золота, привлекают ученых своими уникальными оптическими свойствами. Одним из важнейших явлений является локализованный поверхностный плазмонный резонанс — коллективное колебание электронов в частицах под воздействием света. При резонансных частотах происходит кратное усиление электромагнитного поля с концентрацией его около плазмонной структуры, что позволяет манипулировать светом на наноуровне.
При уменьшении размеров частиц и расстояний между ними до нанометровых значений квантовые эффекты начинают сказываться на их оптических свойствах. К ним относятся пространственная нелокальность, связанная с распределением электронов внутри частиц, эффект расщепления электронного облака вблизи поверхности частиц, описываемый параметрами Фейбельмана, и затухание Ландау. Эти эффекты играют важную роль в изменении амплитуды и частоты плазмонного резонанса.
Юрий Еремин и Вячеслав Лопушенко из ВМК МГУ предложили новый способ изучения квантовых эффектов с помощью мезоскопической теории и метода дискретных источников. Этот метод позволяет точно моделировать поведение электромагнитных полей в наноструктурах, учитывая как объемные, так и поверхностные квантовые явления.
Исследования показали, что поверхностные квантовые эффекты могут частично уменьшить снижение амплитуды плазмонного резонанса, вызванное объёмной нелокальностью.
Квантовый эффект определяет предел усиления поля в субнанометровом зазоре между частицами, устанавливая максимальный уровень чувствительности структуры к среде в этом пространстве.
Получено более точное управление свойствами плазмонного резонанса с учетом поверхностных квантовых эффектов. Это повышает теоретические представления и открывает путь для создания новых нанофотонных технологий, подчеркнул ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной электродинамики ВМК МГУ. Юрий Еремин.
Результаты важны для разработки высокоточных биосенсоров, использующих плазмонный резонанс при анализе молекул в биологических и химических средах. Сенсоры могут применяться для диагностики заболеваний или контроля качества воды и воздуха. Данные исследования полезны для создания нанофотонных устройств, обеспечивающих управление светом в масштабе, недоступном традиционным технологиям.
Источник информации: ВМК МГУ имени М.В. Ломоносова
Фотография предоставлена Ольгой Мерзляковой из журнала «Научная Россия».