Исследователи факультета ВМК МГУ имени М.В.Ломоносова выполнили детальное сравнение современных теорий, объясняющих взаимодействие света с металлическими наноструктурами, где начинают проявляться квантовые эффекты. Работа опубликована в журнале Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer и является шагом на пути к созданию единой теории, описывающей наномасштабные явления в веществе, возникающие под воздействием света.
Когда свет взаимодействует с металлом, внутри него возбуждаются плазмоны — коллективные колебания электронов, которые приводят к концентрации электромагнитного поле в областях, размер которых в сотни раз меньше длины волны. На этом эффекте основаны многие технологии — от нанооптики и фотонных сенсоров до медицинской диагностики на молекулярном уровне. Но когда размер частиц уменьшается до нескольких нанометров, классические законов оказывается недостаточно для адекватного описания их оптических характеристик, так как существенный вклад дают квантовые эффекты. Внутри возникает пространственная дисперсия и электронные облака начинают смещаться относительно поверхности металла, изменяя частоту и амплитуду плазмонных резонансов, а также характер распределения поля вокруг частицы.
Для описания таких явлений в наноплазмонике используется несколько теоретических подходов. Наиболее известные из них — это модель GNOR (Generalized Nonlocal Optical Response) и теория SRF (Surface Response Functions), использующая параметры Фейбельмана, которые характеризуют в том числе смещение электронов относительно поверхности металла. Обе теории объясняют влияние квантовых эффектов, но делают это разными способами.
Исследователи факультета ВМК МГУ впервые провели системное сравнение этих моделей, сопоставив полученные с их помощью результаты и дав им физическую интерпретацию. Было показано, что модель GNOR более успешно описывает коллективные эффекты и потери энергии при взаимодействии света с наночастицами, в то время как SRF даёт более адекватные результаты при моделировании локальных полей и параметров поверхностных плазмонных резонансов.
«Наш анализ показал, что GNOR и SRF— это два взаимодополняющих подхода, которые описывают разные стороны одной физической картины. GNOR полезна при моделировании коллективных процессов и потерь в объемных наноструктурах, а SRF — когда важно воспроизвести локальные поля и оценить квантовые смещения резонансов в наночастицах с анизотропный геометрией», — отмечает Юрий Еремин, ведущий научный сотрудник лаборатории вычислительной электродинамики факультета ВМК МГУ.
Учёные пришли к выводу, что при определённых условиях обе модели могут быть сведены к единому подходу, учитывающему явления пространственной нелокальности и поверхностного отклика. Этот результат позволяет говорить о возможности создания универсальной модели, которая объединит преимущества обеих теорий в описании взаимодействия света и наномасштабных структур.
«Сравнение существующих теорий важно не только для фундаментальной физики, но и для практики. От того, насколько точно мы описываем поведение света в наноструктурах, зависит точность работы сенсоров, фотонных кристаллов, квантовых систем связи и устройств биомедицинской визуализации. Понимание границ применимости разных моделей позволяет проектировать материалы с заданными оптическими свойствами в присутствии квантовых эффектов», — подчёркивает Владимир Лопушенко, ведущий научный сотрудник лаборатории математической физики факультета ВМК МГУ.
Работа учёных ВМК МГУ имеет не только теоретическое значение. Результаты можно использовать для уточнения параметров существующих и проектирования новых плазмонно-резонансных устройств и технологий, разработки новых моделей нанооптических систем и создания гибридных теорий, объединяющих квантовые и классические методы моделирования. Исследование вносит вклад в развитие нанооптики и квантовой электродинамики наносистем, где граница между классическим и квантовым описанием становится всё менее различимой.
Источник: ВМК МГУ имени М.В. Ломоносова
