Ilustración artística de efectos no clásicos en electromagnetismo a nanoescala. Cuando el confinamiento de los campos electromagnéticos en nanoestructuras se vuelve comparable a las escalas electrónicas de longitud en materiales, los efectos no clásicos asociados pueden afectar sustancialmente la respuesta electromagnética. Esta ilustración representa un nanodisco acoplado a una película (la nanoestructura estudiada en este trabajo); el inserto en la lupa muestra las escalas de longitud electrónicas (en este caso, el 'espesor' de la carga inducida por la superficie). Crédito:Grupo de Investigación Marin Soljači
El 11 de diciembre 2019, En la revista se presentará un marco general para incorporar y corregir fenómenos electromagnéticos no clásicos en sistemas a nanoescala. Naturaleza .
Han pasado más de 150 años desde la publicación de "Una teoría dinámica del campo electromagnético" de James Clerk Maxwell (1865). Su tratado revolucionó la comprensión fundamental de los campos eléctricos, campos magnéticos y luz. Las 20 ecuaciones originales (elegantemente reducidas a cuatro hoy), sus condiciones de contorno en las interfaces, y las funciones de respuesta electrónica en masa (permitividad dieléctrica y permeabilidad magnética) están en la raíz de la capacidad de manipular campos electromagnéticos y luz.
La vida sin las ecuaciones de Maxwell carecería de la mayor parte de la ciencia actual, comunicaciones y tecnología.
En escalas grandes (macro), las funciones de respuesta masiva y las condiciones de contorno clásicas son suficientes para describir la respuesta electromagnética de los materiales, pero como consideramos los fenómenos en escalas más pequeñas, los efectos no clásicos se vuelven importantes. Un tratamiento convencional del electromagnetismo clásico no tiene en cuenta la mera existencia de efectos como la no localidad, derrame y amortiguación Landau de superficie. ¿Por qué este poderoso marco se descompone a nanoescalas? El problema es que las escalas de longitud electrónicas están en el corazón de los fenómenos no clásicos, y no forman parte del modelo clásico. Las escalas de longitud electrónicas se pueden considerar como el radio de Bohr o el espaciado de celosía en los sólidos:pequeñas escalas que son relevantes para los efectos cuánticos en cuestión.
Hoy dia, El camino para comprender y modelar los fenómenos electromagnéticos a nanoescala finalmente está abierto. En el avance Naturaleza documento "Un marco teórico y experimental general para el electromagnetismo a nanoescala, "Yang et al. Presentan un modelo que extiende la validez del electromagnetismo macroscópico al régimen nano, cerrar la brecha de escala. En el lado teórico, su marco generaliza las condiciones de contorno incorporando las escalas de longitud electrónicas en la forma de los denominados parámetros d de Feibelman.
Los parámetros d juegan un papel análogo al de la permitividad, sino para interfaces. En términos de modelado numérico, es necesario emparejar cada interfaz de dos materiales con los parámetros d de Feibelman asociados y resolver las ecuaciones de Maxwell con las nuevas condiciones de contorno.
Las veinte ecuaciones originales de Maxwell (hoy elegantemente reducidas a cuatro), sus condiciones de contorno en las interfaces, y las funciones de respuesta electrónica en masa (permitividad dieléctrica y permeabilidad magnética μ) están en la raíz de nuestra capacidad para manipular campos electromagnéticos y luz (aquí sin corrientes o cargas de interfaz externa). Crédito:Grupo de Investigación Marin Soljači
En el lado experimental, los autores investigan nanoresonadores acoplados a película, una arquitectura multiescala por excelencia. Se eligió la configuración experimental debido a su naturaleza no clásica.
Aún así, postdoctorado recientemente graduado y autor principal, Yi Yang, dice:"Cuando creamos nuestro experimento, tuvimos la suerte de encontrarnos con la geometría correcta que nos permitió observar las características no clásicas pronunciadas, que en realidad fueron inesperados y emocionaron a todos. Estas características finalmente nos permitieron medir los parámetros d, que son difíciles de calcular para algunos materiales plasmónicos importantes como el oro (como en nuestro caso) ".
El nuevo modelo y los experimentos son trascendentales tanto para la ciencia fundamental como para diversas aplicaciones. Establece una conexión hasta ahora inexplorada entre electromagnetismo, ciencia material, y física de la materia condensada, que podría conducir a nuevos descubrimientos teóricos y experimentales en todos los campos relacionados, incluyendo química y biología. En cuanto a la aplicación, este trabajo apunta a la posibilidad de diseñar la respuesta óptica más allá del régimen clásico; un ejemplo sería explorar cómo extraer más energía de los emisores usando antenas.
El profesor del MIT, Marin Soljacic, se muestra entusiasmado:"Esperamos que este trabajo tenga un impacto sustancial. El marco que presentamos abre un nuevo capítulo para la nanoplasmónica de vanguardia, el estudio de los fenómenos ópticos en las proximidades a nanoescala de superficies metálicas, y la nanofotónica, el comportamiento de luz en la escala nanométrica y para controlar la interacción de los objetos a escala nanométrica con la luz ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
