Illustrazione artistica di effetti non classici nell'elettromagnetismo su nanoscala. Quando il confinamento dei campi elettromagnetici nelle nanostrutture diventa paragonabile alle scale elettroniche di lunghezza nei materiali, gli effetti non classici associati possono influenzare sostanzialmente la risposta elettromagnetica. Questa illustrazione rappresenta un nanodisco accoppiato a film (la nanostruttura studiata in questo lavoro); l'inserto nella lente mostra le scale di lunghezza elettroniche (in questo caso, lo 'spessore' della carica superficiale indotta). Credito:Marin Soljači Research Group
L'11 dicembre 2019, nella rivista sarà presentato un quadro generale per l'incorporazione e la correzione di fenomeni elettromagnetici non classici nei sistemi su scala nanometrica Natura .
Sono trascorsi più di 150 anni dalla pubblicazione di "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865) di James Clerk Maxwell. Il suo trattato ha rivoluzionato la comprensione fondamentale dei campi elettrici, campi magnetici e luce. Le 20 equazioni originarie (oggi elegantemente ridotte a quattro), le loro condizioni al contorno alle interfacce, e le funzioni di risposta elettronica di massa (permettività dielettrica e permeabilità magnetica) sono alla base della capacità di manipolare i campi elettromagnetici e la luce.
La vita senza le equazioni di Maxwell mancherebbe della scienza più attuale, comunicazioni e tecnologia.
Su grandi (macro) scale, le funzioni di risposta di massa e le condizioni al contorno classiche sono sufficienti per descrivere la risposta elettromagnetica dei materiali, ma se consideriamo i fenomeni su scale più piccole, gli effetti non classici diventano importanti. Un trattamento convenzionale dell'elettromagnetismo classico non tiene conto della mera esistenza di effetti come la nonlocalità, rovesciare, e smorzamento Landau abilitato in superficie. Perché questo potente framework si guasta su scala nanometrica? Il problema è che le bilance elettroniche sono al centro di fenomeni non classici, e non fanno parte del modello classico. Le scale di lunghezza elettroniche possono essere pensate come il raggio di Bohr o la spaziatura reticolare nei solidi:scale piccole che sono rilevanti per gli effetti quantistici a portata di mano.
Oggi, la strada per comprendere e modellare i fenomeni elettromagnetici su scala nanometrica è finalmente aperta. Nella svolta Natura paper "Un quadro teorico e sperimentale generale per l'elettromagnetismo su nanoscala, " Yang et al. presentano un modello che estende la validità dell'elettromagnetismo macroscopico al regime nano, colmare il divario di scala. Sul versante teorico, la loro struttura generalizza le condizioni al contorno incorporando le scale di lunghezza elettroniche nella forma dei cosiddetti d-parameters di Feibelman.
I d-parametri giocano un ruolo analogo a quello della permittività , ma per le interfacce In termini di modelli numerici, è necessario accoppiare ogni interfaccia bimateriale con i parametri d di Feibelman associati e risolvere le equazioni di Maxwell con le nuove condizioni al contorno.
le venti equazioni originali di Maxwell (oggi elegantemente ridotte in quattro), le loro condizioni al contorno alle interfacce, e le funzioni di risposta elettronica di massa (permettività dielettrica - e permeabilità magnetica μ) sono alla base della nostra capacità di manipolare i campi elettromagnetici e la luce (qui senza correnti o cariche di interfaccia esterne). Credito:Marin Soljači Research Group
Sul versante sperimentale, gli autori studiano nanorisonatori accoppiati a film, un'architettura multiscala per eccellenza. La configurazione sperimentale è stata scelta per la sua natura non classica.
Comunque, Yi Yang, neolaureato postdoc e autore principale, afferma:"Quando abbiamo costruito il nostro esperimento, abbiamo avuto la fortuna di imbatterci nella giusta geometria che ci ha permesso di osservare le spiccate caratteristiche non classiche, che in realtà sono stati inaspettati ed hanno emozionato tutti. Queste caratteristiche alla fine ci hanno permesso di misurare i parametri d, che sono difficili da calcolare per alcuni importanti materiali plasmonici come l'oro (come nel nostro caso)."
Il nuovo modello e gli esperimenti sono importanti sia per la scienza fondamentale che per diverse applicazioni. Crea una connessione finora inesplorata tra elettromagnetismo, scienza materiale, e fisica della materia condensata, che potrebbe portare a ulteriori scoperte teoriche e sperimentali in tutti i campi correlati, comprese la chimica e la biologia. Per quanto riguarda l'applicazione, questo lavoro indica la possibilità di progettare la risposta ottica oltre il regime classico:un esempio potrebbe essere l'esplorazione di come estrarre più energia dagli emettitori utilizzando le antenne.
Il professor Marin Soljacic del MIT è entusiasta:"Ci aspettiamo che questo lavoro abbia un impatto sostanziale. Il quadro che presentiamo apre un nuovo capitolo per la nanoplasmonica all'avanguardia, lo studio dei fenomeni ottici nelle vicinanze su scala nanometrica delle superfici metalliche, e la nanofotonica, il comportamento di luce su scala nanometrica e per controllare l'interazione di oggetti su scala nanometrica con la luce".
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
