Ученые факультета ВМК МГУ представили метод изучения квантовых эффектов, включающих пространственную нелокальность, расщепление электронного облака и эффект Ландау-затухания в парах золотых наночастиц. Их работа улучшает понимание влияния света на наноструктуры, способствуя созданию передовых нанобиосенсоров и продвижению в сфере нанофотонных технологий, говорится на сайте учебного заведения.
Наночастицы драгоценных металлов, таких как золото, интересуют ученых своими уникальными оптическими характеристиками. Ключевое явление среди них — локализованный поверхностный плазмонный резонанс, возникающий при совместном движении электронов в частице под действием света. Благодаря этому феномену на определенных частотах наблюдается значительное увеличение напряженности электромагнитного поля непосредственно возле плазмонной структуры, что позволяет эффективно управлять светом на наномасштабе.
По мере уменьшения размеров наночастиц и расстояния между ними до наномасштабных величин, их оптическое поведение начинает зависеть от ряда квантовых факторов. К ним относятся пространственная нелокальность, обусловленная характером распределения электронов внутри частиц, расщепление электронного облака на границе частиц, которое определяется параметрами Фейбельмана, а также затухание Ландау. Все эти факторы оказывают существенное влияние на изменение характеристик плазмонного резонанса, включая его амплитуду и частоту.
Отечественные специалисты разработали инновационный подход к исследованию указанных квантовых эффектов. Он сочетает принципы мезоскопической теории и метода дискретных источников. Этот подход позволяет точно рассчитывать поведение электромагнитных полей в наноструктурах, принимая во внимание как объемные, так и поверхностные квантовые эффекты.
Проведенные эксперименты продемонстрировали, что квантовые эффекты на поверхностях способны ослаблять отрицательное влияние объемной нелокальности на амплитуду плазмонного резонанса. Это особенно заметно для парных наночастиц с зазором примерно 1−2 нм, поскольку в данном масштабе превалируют именно поверхностные эффекты. Кроме того, ученые определили, что наличие квантовых явлений ограничивает степень усиления электромагнитного поля в зазорах субнанометрового масштаба, позволяя выявить максимальную чувствительность системы к окружающей среде. Такой подход открывает путь к разработке сверхчувствительных биодатчиков, способных фиксировать даже одиночные молекулярные объекты.
«Мы обнаружили, что с учетом поверхностных квантовых эффектов можно добиться более точного контроля над свойствами плазмонного резонанса. Это не только улучшает наши теоретические представления, но и прокладывает путь к разработке новых нанофотонных технологий», — заключает ведущий научный сотрудник лаборатории вычислительной электродинамики факультета ВМК МГУ Юрий Еремин.
Ранее мы рассказали, как ученые потратили 10 лет на поиски частицы, которой на самом деле не существовало.
