La nanoplasmonica, lo studio della manipolazione della luce su scala nanometrica, ha contribuito alla produzione di nuovi dispositivi per il rilevamento chimico e biologico, elaborazione del segnale ed energia solare. Però, componenti su scale così piccole sperimentano strani effetti che l'elettrodinamica classica non può spiegare. Una sfida particolare per i teorici consiste nell'isolare i cosiddetti effetti "non locali", per cui le proprietà ottiche di una particella non sono costanti ma dipendono dai campi elettromagnetici vicini.

Ora, Joel Yang e colleghi dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering di Singapore, con collaboratori nel Regno Unito e in Cina, hanno utilizzato sia simulazioni che esperimenti per studiare gli effetti non locali mostrati dagli elettroni nelle nanostrutture metalliche.

Il team ha sviluppato simulazioni tridimensionali degli spettri della spettroscopia di perdita di energia elettronica (EELS). EELS è una potente tecnica di laboratorio in grado di fornire informazioni sulle geometrie delle nanostrutture, ma dà anche luogo a effetti non locali. Un dispositivo EELS viene utilizzato per sparare elettroni energetici su una nanostruttura metallica e quindi per misurare quanta energia gli elettroni perdono quando eccitano le risonanze plasmoniche nel campione. In precedenza, era stato difficile per gli sperimentali interpretare correttamente gli spettri EELS perché gli effetti non locali non sono considerati nella teoria corrente, le soluzioni rilevanti delle equazioni di campo di Maxwell.

Yang e collaboratori presentano la prima soluzione tridimensionale completa delle equazioni di Maxwell per un campione sondato da una sorgente EELS. "La nostra configurazione teorica imita la configurazione sperimentale e le equazioni erano, per la prima volta, implementato e risolto utilizzando software commerciale, "dice Yang.

I ricercatori hanno applicato la loro teoria ai nanoprismi d'oro triangolari e hanno concluso che si verificano effetti non locali significativi quando la lunghezza laterale dei prismi è inferiore a 10-50 nanometri, provocando una dispersione spaziale dei campi elettromagnetici. Hanno quindi esaminato i risultati EELS reali per le nanostrutture "papillon" d'oro:ogni papillon d'oro è stato creato unendo due nanoprismi ai loro picchi utilizzando ponti d'oro stretti fino a 1,6 nanometri (vedi immagine).

I veri papillon hanno mostrato una dispersione del campo spaziale simile a quella prevista per i prismi singoli, ma con conduzione ad alta frequenza notevolmente ridotta agli stretti ponti connettivi. I ricercatori ipotizzano che la riduzione del campo sia causata da due fattori non inclusi nel loro modello:il confinamento quantistico nei ponti stretti e la dispersione di elettroni dai bordi dei grani. Questi fattori aiutano a spiegare l'interazione tra nonlocalità e geometria.

"I modelli esistenti tendono a trattare i metalli come aventi proprietà ottiche omogenee, ", afferma Yang. "I nostri risultati suggeriscono che su scala nanometrica dobbiamo tenere conto del confinamento quantistico e della granularità".