Un team di scienziati ha risolto il problema di vecchia data di come gli elettroni si muovono insieme come un gruppo all'interno di nanoparticelle cilindriche.

La nuova ricerca fornisce una svolta teorica inaspettata nel campo dell'elettromagnetismo, con prospettive per la ricerca sui metamateriali.

Il team di fisici teorici, dall'Università di Exeter e dall'Università di Strasburgo, ha creato un'elegante teoria che spiega come gli elettroni si muovono collettivamente in minuscole nanoparticelle metalliche a forma di cilindri.

Il lavoro ha portato a una nuova comprensione di come la luce e la materia interagiscono su scala nanometrica, aland ha implicazioni per la realizzazione di futuri dispositivi su scala nanometrica che sfruttano metamateriali basati su nanoparticelle con proprietà ottiche spettacolari.

Le nanoparticelle metalliche hanno un nucleo ionico caricato positivamente, circondato da una nuvola di elettroni carichi negativamente. Quando la luce brilla su un oggetto così metallico, la nuvola elettronica è spostata.

Questo spostamento fa oscillare l'intero gruppo di elettroni attorno al nucleo positivo. Il gruppo di elettroni che oscilla avanti e indietro si comporta come una singola particella (una cosiddetta quasiparticella), noto come "plasmone".

Il plasmone è caratterizzato principalmente dalla frequenza con cui oscilla, nota come frequenza di risonanza plasmonica.

Esplorare come cambia la frequenza di risonanza del plasmone a seconda della geometria della nanoparticella che lo ospita è un compito fondamentale nell'elettromagnetismo moderno. Si pensa comunemente che solo alcune particolari geometrie di nanoparticelle possano essere descritte con la teoria analitica, ovvero, senza ricorrere a pesanti, calcoli numerici dispendiosi in termini di tempo.

L'elenco delle geometrie che consentono una descrizione analitica è ampiamente ritenuto molto breve, essendo composto da sole nanoparticelle sferiche ed ellissoidali.

Questo fatto è altamente scomodo a causa dell'ubiquità sperimentale delle nanoparticelle cilindriche, che sorgono in una varietà di rapporti d'aspetto da lunghi, nanofili aghiformi per assottigliare, nanodischi simili a pancake.

Nella ricerca, i ricercatori hanno affrontato il modo in cui oscillano i plasmoni nelle nanoparticelle cilindriche. Utilizzando una tecnica teorica ispirata alla fisica nucleare, i ricercatori hanno costruito un'elegante teoria analitica che descrive il comportamento dei plasmoni in cilindri con proporzioni arbitrarie.

La teoria ha permesso una descrizione completa delle nanoparticelle plasmoniche cilindriche, descrivendo semplicemente la risonanza plasmonica nelle nanoparticelle metalliche dai nanofili ai nanodischi circolari.

I due teorici della materia condensata hanno anche considerato la risposta plasmonica di una coppia di nanoparticelle cilindriche accoppiate e hanno trovato correzioni quantomeccaniche alla loro teoria classica, che è rilevante a causa del piccolo, dimensioni nanometriche delle nanoparticelle.

Il dottor Charles Downing del dipartimento di fisica e astronomia dell'Università di Exeter spiega:"Inaspettatamente, il nostro lavoro teorico fornisce profonde, approfondimenti analitici sulle eccitazioni plasmoniche in nanoparticelle cilindriche, che può aiutare a guidare i nostri colleghi sperimentali che fabbricano nanobarre metalliche nei loro laboratori".

Guillaume Weick dell'Università di Strasburgo aggiunge:"C'è una tendenza a fare sempre più affidamento su calcoli pesanti per descrivere i sistemi plasmonici. Nel nostro lavoro di ritorno al passato, riveliamo che umili calcoli con carta e penna possono ancora spiegare fenomeni intriganti in prima linea nella ricerca sui metamateriali".

La svolta teorica è di immediata utilità per una fascia di scienziati che lavorano con i nano-oggetti nella scienza all'avanguardia della plasmonica. Lungo termine, si spera che le eccitazioni plasmoniche possano essere sfruttate nella prossima generazione di circuiti ultracompatti, conversione dell'energia solare e archiviazione dei dati man mano che la nostra tecnologia diventa sempre più miniaturizzata.

I modi plasmonici in nanoparticelle cilindriche e dimeri sono pubblicati in Atti della Royal Society A .