Lo schema del problema. Un dimero di nanosfere separate in cui lo sbavamento di carica superficiale è descritto da uno strato di copertura efficace di (A) uno spessore costante d', (B) una permittività costante, εS =1 (spostando il confine del metallo di d’), o (C) uno spessore variabile d' e permittività spazialmente dipendente. Sotto una trasformazione inversa, la struttura asimmetrica nucleo-guscio in C può essere mappata su un anello dielettrico (mostrato in D) definito da una sfera metallica rivestita di dielettrico e una sfera cava rivestita di dielettrico. Credito:Luo Y, Zhao R, Interazioni di Pendry JB (2014) van der Waals su scala nanometrica:gli effetti della non località. Proc Natl Acad Sci USA 111(52):18422-18427.
(Phys.org) —L'onnipresente van der Waals interazione - una conseguenza delle fluttuazioni di carica quantistica - include forze intermolecolari come attrazione e repulsione tra atomi, molecole e superfici. La forza più a lungo raggio che agisce tra le particelle, influenza una serie di fenomeni tra cui l'adesione superficiale, attrito e stabilità colloidale. Tipicamente un compito semplice quando le superfici parallele sono più lontane di 10 nanometri, calcolando le forze di van der Waals tra, Per esempio, una coppia di nanosfere a meno di cinque nanometri di distanza diventa piuttosto difficile. Inoltre, quest'ultima scala richiede che sia considerato l'effetto della nonlocalità (l'interazione diretta di due oggetti che sono separati nello spazio senza agenti o meccanismi intermedi percepibili), introducendo complessità in, e quindi ostacolando ulteriormente, analisi.
Recentemente, però, scienziati dell'Imperial College di Londra, Londra ha proposto una semplice soluzione analitica, mostrando – per la prima volta, i ricercatori affermano che la non località nei sistemi plasmonici 3D può essere analizzata con precisione utilizzando l'ottica di trasformazione. ( plasmoni sono quasiparticelle derivanti dalla quantizzazione delle oscillazioni del plasma a frequenze ottiche; disponendo i campi elettromagnetici in modo specifico, ottica di trasformazione determina la direzione in cui si propagherà la radiazione elettromagnetica.) Gli scienziati suggeriscono anche che i loro risultati aumentano la comprensione sottostante degli effetti non locali nelle nanostrutture plasmoniche.
Il prof. Sir John Pendry ha discusso il documento che lui, Il Dr. Yu Luo e il Dr. Rongkuo Zhao pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . "La non località introduce complessità computazionale che rende difficile eseguire i calcoli, "Pendry racconta Phys.org . "Abbiamo trovato una soluzione che semplifica enormemente i calcoli sostituendo il sistema non locale con un sistema locale che riproduce i risultati con un alto grado di precisione". Nello specifico, gli scienziati hanno dimostrato che la nonlocalità nei sistemi plasmonici 3D può essere analizzata con precisione utilizzando l'approccio dell'ottica di trasformazione - la prima volta che la tecnica è stata applicata alle forze di van der Waals - che hanno applicato per risolvere il problema dell'inclusione di effetti non locali quando due corpi su scala nanometrica interagiscono .
"La chiave per sfruttare con successo l'ottica di trasformazione, " Pendry fa notare, "è scegliere la giusta trasformazione. Nel nostro caso siamo riusciti a trasformare il problema delle due sfere quasi a contatto nel problema molto più simmetrico delle due sfere concentriche". Così facendo, i ricercatori hanno dovuto affrontare due sfide:
Lo spettro di assorbimento per un dimero di particelle sferiche. Il diagramma di contorno della sezione trasversale di assorbimento rispetto alla frequenza e alla separazione per una coppia di nanosfere d'oro con raggi uguali di (A) 5 e (B) 30 nm. Confronto dei nostri calcoli analitici con simulazioni numeriche locali e non locali per due sfere d'oro strettamente separate (δ =0:2 nm) con raggi uguali di (C) 5 e (D) 30 nm. Credito:Luo Y, Zhao R, Interazioni di Pendry JB (2014) van der Waals su scala nanometrica:gli effetti della non località. Proc Natl Acad Sci USA 111(52):18422-18427.
· il problema riguardava diverse scale di lunghezza, il che significa che dovevano prendere in considerazione le sfere stesse (~10 nm) e la distanza tra loro, che hanno cercato di spingere al limite di una spaziatura atomica (~0.2nm)
· il fatto che le forze dipendono dai contributi di molte frequenze diverse in un intervallo di quasi 100 eV
Pendry osserva che solo ora i ricercatori stanno iniziando a esplorare le conseguenze della non località nei fenomeni di superficie su nanoscala, e sono in procinto di costruire modelli affidabili. "Le forze su scala nanometrica nel nostro articolo sono solo un esempio di dove è importante trattare la non località, dove la principale complicazione è che la risposta di un sistema in un dato punto dipende non solo dai campi elettromagnetici in quel punto, ma anche sui campi della regione circostante, un problema che molti approcci tradizionali non riescono a risolvere".
Nella loro carta, gli scienziati hanno scoperto che la nonlocalità indebolisce drasticamente il potenziamento del campo tra le sfere, e quindi l'interazione di van der Waals. "Le forze di van der Waals, sebbene a lungo raggio rispetto ai legami chimici standard, sono significative solo quando le superfici sono abbastanza vicine l'una all'altra, " Spiega Pendry. "La teoria locale standard prevede una forza infinita nel limite che le superfici toccano, ma ovviamente questa è una sciocchezza. Perciò, le previsioni che hanno senso e possono essere paragonate agli esperimenti devono prendere in considerazione la non località".
In relazione, il documento afferma che il legame chimico - sebbene non sia una preoccupazione esplicita in questo studio - dominerà l'approccio finale appena prima che le superfici tocchino a pochi decimi di nanometro, a quel punto entrerà in gioco il contatto diretto delle cariche attraverso il tunneling elettronico. "Le forze che consideriamo sono complementari al legame chimico, " Pendry chiarisce, "in quanto l'attuale approccio teorico ai legami chimici sfrutta l'approssimazione della densità locale. In altre parole, proprio come uno studio delle pure forze di van der Waals omette il legame chimico, quindi un puro studio della densità locale dei legami non ha nulla da dire sulle forze di dispersione a lungo raggio che calcoliamo. Certo, ad un certo punto i due devono unirsi... ma perché ciò accada abbiamo bisogno di input sperimentali e gli studi teorici sulle forze di van der Waals sono i primi passi per farlo accadere".
L'approccio descritto nel documento rende fattibile l'indagine analitica dei problemi non locali 3D, fornendo al contempo informazioni sulla comprensione degli effetti non locali nelle nanostrutture plasmoniche. "I calcoli sono sempre difficili quando si trattano strutture singolari - con cui intendiamo situazioni come le sfere quasi a contatto considerate nel nostro articolo - ma anche l'interazione di punti aguzzi con superfici, " Spiega Pendry. "Utilizzare le trasformazioni per svelare la singolarità rivela come le forze lavorano in ciascuna di queste situazioni, e infatti spesso ci permette di mostrare un'origine comune." Ad esempio, riguardo a come i loro risultati potrebbero influenzare lo sviluppo di substrati subnanometrici funzionali, aggiunge che "qualsiasi sistema nanomeccanico deve considerare gli effetti delle forze di van der Waals - e il nostro articolo è un tentativo di approfondire la nostra comprensione di questi problemi".
Guardando avanti, Pendry racconta Phys.org che le forze di van der Waals sono solo il primo passo di una serie di indagini che gli scienziati hanno già pianificato. "All'orizzonte vicino c'è il trasferimento di calore tra superfici che sono vicine ma non in contatto fisico:le fluttuazioni elettromagnetiche responsabili della forza di van der Waals consentono anche al calore di saltare attraverso il divario - un effetto diverso da, e molto più forte di, raffreddamento radiativo." (Il raffreddamento radiativo è il processo mediante il quale un corpo perde calore per irraggiamento termico.) "A lungo termine, proveremo a generalizzare la nostra teoria dell'attrito quantistico, per cui le superfici che sono vicine ma non in contatto fisico possono subire una resistenza per attrito. Anche la non località è un problema importante negli effetti".
In chiusura, Pendry osserva che molte altre aree di ricerca potrebbero trarre vantaggio dal loro studio, dato che l'ottica di trasformazione è una tecnica molto generale nella teoria elettromagnetica. "Il presente studio è solo uno di tutta una serie di applicazioni. Abbiamo già visto molti studi sulla sua applicazione all'invisibilità, e lo abbiamo ampiamente utilizzato per studiare intensi miglioramenti di campo nelle strutture plasmoniche, come la spettroscopia Raman con superficie migliorata. Infatti, praticamente qualsiasi problema che ha la radiazione elettromagnetica che interagisce con una struttura fisica potrebbe potenzialmente beneficiare dell'ottica di trasformazione - e nel caso dei sistemi plasmonici, la nonlocalità sarà sempre un problema importante ogni volta che si considera una superficie nelle immediate vicinanze."
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