Московские ученые расширили понимание квантовых свойств плазмонных наночастиц

Новости МирТесен

Специалисты факультета ВМК МГУ имени М.В. Ломоносова провели подробный анализ актуальных теорий, описывающих взаимодействие света и металлических наноструктур, в которых становятся заметны квантовые явления. Результаты исследования были опубликованы в журнале Журнал «Количественная спектроскопия и перенос излучения и является шагом на пути к созданию единой теории, описывающей наномасштабные явления в веществе, возникающие под воздействием света.

При столкновении света с металлом возникают плазмоны — это коллективные колебания электронов, вызывающие концентрацию электромагнитного поля в областях, размеры которых в сотни раз меньше длины падающего излучения. На этом явлении базируются разнообразные технологии, включая нанооптику, фотонные сенсоры и молекулярную диагностику в медицине. Однако, при уменьшении размера частиц до нескольких нанометров, классические подходы перестают быть достаточно точными для описания их оптических свойств, поскольку значительную роль начинают играть квантовые эффекты. Внутри материала появляется пространственная дисперсия, что приводит к смещению электронных облаков относительно поверхности металла. Это, в свою очередь, модифицирует частоту и амплитуду плазмонных резонансов, а также влияет на распределение электромагнитного поля вокруг частицы.

В наноплазмонике для анализа подобных явлений применяют различные теоретические модели. К числу наиболее распространенных относятся подход GNOR (Generalized Nonlocal Optical Response) и теория SRF (Surface Response Functions), основанная на параметрах Фейбельмана. Эти параметры описывают, среди прочего, сдвиг электронов от поверхности металла. Обе теории учитывают квантовые эффекты, однако используют различные методики для этого.

Впервые ученые факультета ВМК МГУ осуществили комплексное сопоставление данных моделей, проанализировав полученные с их помощью результаты и предоставив им физическое толкование. Показано, что модель GNOR эффективнее воспроизводит коллективные явления и потери энергии при взаимодействии света с наночастицами, тогда как SRF демонстрирует более точные результаты при моделировании локальных полей и характеристик поверхностных плазмонных резонансов.

«Проведенный нами анализ выявил, что GNOR и SRF представляют собой два взаимосвязанных подхода, описывающих различные аспекты единой физической модели. GNOR эффективна при моделировании групповых процессов и потерь в объемных наноструктурах, а SRF – при необходимости воссоздания локальных полей и оценки квантовых сдвигов резонансов в наночастицах с неоднородной геометрией», — подчеркивает Юрий Еремин, ведущий научный сотрудник лаборатории вычислительной электродинамики, факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ.

Согласно проведенным исследованиям, при соблюдении определенных условий обе модели можно унифицировать, приняв единый подход, который будет учитывать проявления пространственной нелокальности и поверхностного отклика. Полученные данные указывают на потенциальную возможность разработки универсальной модели, способной объединить сильные стороны обеих теорий при описании взаимодействия света с наноструктурами.

«Сопоставление существующих теорий имеет значение не только для фундаментальных исследований в физике, но и для практического применения. Точность описания поведения света в наноструктурах определяет эффективность сенсоров, фотонных кристаллов, квантовых систем связи и устройств для биомедицинской визуализации. Знание пределов применимости различных моделей позволяет создавать материалы с заранее определенными оптическими характеристиками, учитывая квантовые эффекты, — отмечает Владимир Лопушенко, ведущий научный сотрудник лаборатории математической физики, факультета ВМК МГУ.

Исследования, проведенные специалистами Высшего математического факультета МГУ, представляют ценность не только с теоретической точки зрения. Полученные данные могут быть применены для корректировки характеристик уже используемых и разработки инновационных плазмонно-резонансных устройств и технологий, создания новых нанооптических моделей и формирования комбинированных теорий, сочетающих квантовые и классические подходы к моделированию. Данная работа способствует прогрессу в области нанооптики и квантовой электродинамики наносистем, где различие между классическим и квантовым описаниями стирается.