Разработанный метод способствует прогрессу в области нанофотонных устройств, способных контролировать распространение света на масштабах, превышающих возможности классических технологий.
Учёные факультета ВМК МГУ представили методику изучения квантовых эффектов, которые включают пространственную нелокальность, расщепление электронного облака и эффект Ландау-затухания в парах золотых наночастиц. Их работа способствует лучшему пониманию воздействия света на наноструктуры, что ведет к созданию современных нанобиосенсоров и развитию нанофотонных технологий, отмечается на сайте учебного заведения.
Наночастицы драгоценных металлов, включая золото, привлекают внимание исследователей благодаря своим уникальным оптическим свойствам. Одно из ключевых явлений — локализованный поверхностный плазмонный резонанс, который возникает при совместном движении электронов в частице под воздействием света. Этот феномен приводит к значительному увеличению интенсивности электромагнитного поля вблизи плазмонной структуры на определенных частотах, что даёт возможность эффективно управлять светом на наномасштабе.
С уменьшением размеров наночастиц и расстояния между ними до наномасштабных значений их оптические характеристики начинают зависеть от ряда квантовых факторов. К ним относятся пространственная нелокальность, вызванная распределением электронов внутри частиц, расщепление электронного облака на границе частиц, определяемое параметрами Фейбельмана, а также затухание Ландау. Все эти аспекты значительно влияют на изменение характеристик плазмонного резонанса, включая его амплитуду и частоту.
Отечественные эксперты разработали новый подход к исследованию указанных квантовых эффектов. Он сочетает принципы мезоскопической теории и метод дискретных источников. Эта методика позволяет точно моделировать поведение электромагнитных полей в наноструктурах, учитывая как объемные, так и поверхностные квантовые эффекты.
Проведённые эксперименты показали, что квантовые эффекты на поверхностях способны уменьшать негативное воздействие объемной нелокальности на амплитуду плазмонного резонанса. Это особенно заметно для парных наночастиц с расстоянием около 1−2 нм, так как в этом диапазоне преобладают именно поверхностные эффекты. Кроме того, учёные выяснили, что наличие квантовых явлений ограничивает уровень усиления электромагнитного поля в субнанометровых зазорах, что позволяет определить максимальную чувствительность системы к окружающей среде. Такой подход открывает возможности для создания сверхчувствительных биодатчиков, способных обнаруживать даже единичные молекулы.
«Мы установили, что учитывая поверхностные квантовые эффекты, можно достичь более точного контроля над свойствами плазмонного резонанса. Это не только улучшает наши теоретические модели, но и прокладывает путь к разработке новых нанофотонных технологий», — подводит итог ведущий научный сотрудник лаборатории вычислительной электродинамики факультета ВМК МГУ Юрий Еремин.
Фото: hi-tech.mail.ru