Прошло исследование: уточнены границы квантовых теорий плазмонных наночастиц

СегодняСегодня

2 мин

Исследователи факультета ВМК МГУ провели подробный анализ современных теорий, описывающих взаимодействие света с металлическими наноструктурами, где становятся заметны квантовые эффекты. Работа опубликована в Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer и рассматривается как шаг к созданию общей теории наномасштабных процессов в веществе под воздействием света. При взаимодействии света с металлом возникают плазмоны — коллективные колебания электронов, которые концентрируют электромагнитное поле в областях, значительно меньших длины волны. На этом основаны технологии нанооптики, сенсорики и медицинской диагностики. Но когда размеры частиц уменьшаются до нескольких нанометров, классические законы перестают точно описывать их оптические свойства. Появляются квантовые эффекты: усиливается пространственная дисперсия, электронные облака смещаются относительно поверхности, меняя частоту и амплитуду плазмонных резонансов и распределение поля вокруг частиц. Для моделирования таких

При взаимодействии света с металлом возникают плазмоны — коллективные колебания электронов, которые концентрируют электромагнитное поле в областях, значительно меньших длины волны. На этом основаны технологии нанооптики, сенсорики и медицинской диагностики. Но когда размеры частиц уменьшаются до нескольких нанометров, классические законы перестают точно описывать их оптические свойства. Появляются квантовые эффекты: усиливается пространственная дисперсия, электронные облака смещаются относительно поверхности, меняя частоту и амплитуду плазмонных резонансов и распределение поля вокруг частиц.

Для моделирования таких процессов используют несколько подходов, включая модель GNOR и теорию SRF, основанную на параметрах Фейбельмана, которые помогают учитывать смещение электронов. Каждая теория объясняет квантовые эффекты по-своему.

Команда МГУ впервые сравнила эти модели системно, сопоставив результаты и дав им физическую трактовку. Показано, что GNOR лучше описывает коллективные процессы и энергорассеяние при взаимодействии света с наночастицами, тогда как SRF точнее воспроизводит локальные поля и параметры поверхностных резонансов. Юрий Еремин отмечал, что эти подходы дополняют друг друга: GNOR подходит для анализа объемных наноструктур, а SRF — для систем, где важны локальные квантовые смещения резонансов.

Учёные пришли к выводу, что при определённых условиях обе модели могут быть объединены в единый теоретический подход, учитывающий пространственную нелокальность и поверхностный отклик. Такой результат открывает путь к созданию универсальной модели для описания взаимодействия света с наноструктурами.

Владимир Лопушенко подчёркивал, что точность таких моделей важна и для фундаментальной науки, и для практики: от правильного описания поведения света в наноструктурах зависит эффективность сенсоров, фотонных устройств, систем квантовой связи и инструментов биомедицинской визуализации. Понимание границ применимости моделей помогает создавать материалы с заданными оптическими свойствами.

Работа МГУ имеет прикладное значение: её результаты можно использовать для улучшения параметров существующих плазмонно-резонансных технологий, разработки новых моделей нанооптических устройств и создания гибридных теорий, объединяющих квантовые и классические методы. Исследование способствует развитию нанооптики и квантовой электродинамики наносистем, где граница между квантовым и классическим описанием становится всё менее заметной.