El esquema del problema. Un dímero de nanoesferas separadas en el que la carga superficial se describe mediante una capa de cobertura eficaz de (A) un espesor constante Δd ’, (B) una permitividad constante, εS =1 (cambiando el límite del metal en Δd ’), o (C) un espesor variable Δd 'y una permitividad espacialmente dependiente. Bajo una transformación inversa, la estructura asimétrica núcleo-carcasa en C se puede mapear en un anillo dieléctrico (mostrado en D) definido por una esfera de metal con recubrimiento dieléctrico y una esfera hueca con recubrimiento dieléctrico. Crédito:Luo Y, Zhao R, Pendry JB (2014) interacciones de van der Waals a nanoescala:los efectos de la no localidad. Proc Natl Acad Sci Estados Unidos 111 (52):18422-18427.
(Phys.org) —El ubicuo Van der Waals La interacción, una consecuencia de las fluctuaciones de carga cuántica, incluye fuerzas intermoleculares como la atracción y la repulsión entre átomos, moléculas y superficies. La fuerza de mayor alcance que actúa entre partículas, Influye en una variedad de fenómenos que incluyen la adherencia de la superficie, fricción y estabilidad coloidal. Normalmente es una tarea sencilla cuando las superficies paralelas están a más de 10 nanómetros, calcular las fuerzas de van der Waals entre, por ejemplo, un par de nanoesferas separadas por menos de cinco nanómetros se vuelve bastante difícil. Es más, la última escala requiere que se considere el efecto de la no localidad (la interacción directa de dos objetos que están separados en el espacio sin una agencia o mecanismo intermedio perceptible), introduciendo complejidad en, y por lo tanto obstaculizar aún más, análisis.
Recientemente, sin embargo, científicos del Imperial College de Londres, London propuso una solución analítica simple, mostrando - por primera vez, Los investigadores dicen que la no localidad en los sistemas plasmónicos 3D se puede analizar con precisión utilizando la óptica de transformación. ( Plasmones son cuasipartículas que surgen de la cuantificación de las oscilaciones del plasma a frecuencias ópticas; organizando campos electromagnéticos de una manera específica, óptica de transformación determina la dirección en la que se propagará la radiación electromagnética). Los científicos también sugieren que sus resultados aumentan la comprensión subyacente de los efectos no locales en las nanoestructuras plasmónicas.
El profesor Sir John Pendry discutió el documento que él, El Dr. Yu Luo y el Dr. Rongkuo Zhao publicaron en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . "La no localidad introduce una complejidad computacional que dificulta la realización de los cálculos, "Pendry dice Phys.org . "Hemos encontrado una solución que simplifica enormemente los cálculos al reemplazar el sistema no local con un sistema local que reproduce los resultados con un alto grado de precisión". Específicamente, Los científicos demostraron que la no localidad en los sistemas plasmónicos 3D se puede analizar con precisión utilizando el enfoque de la óptica de transformación, la primera vez que la técnica se aplica a las fuerzas de van der Waals, que aplicaron para resolver el problema de incluir efectos no locales cuando interactúan dos cuerpos a nanoescala. .
"La clave para explotar con éxito la óptica de transformación, Pendry señala, "es elegir la transformación correcta. En nuestro caso, pudimos transformar el problema de dos esferas que casi se tocan en el problema mucho más simétrico de dos esferas concéntricas". Al hacerlo, los investigadores tuvieron que abordar dos desafíos:
El espectro de absorción de un dímero de partículas esféricas. El gráfico de contorno de la sección transversal de absorción frente a la frecuencia y la separación para un par de nanoesferas de oro con radios iguales de (A) 5 y (B) 30 nm. Comparación de nuestros cálculos analíticos con simulaciones numéricas locales y no locales para dos esferas de oro muy separadas (δ =0:2 nm) con radios iguales de (C) 5 y (D) 30 nm. Crédito:Luo Y, Zhao R, Pendry JB (2014) interacciones de van der Waals a nanoescala:los efectos de la no localidad. Proc Natl Acad Sci Estados Unidos 111 (52):18422-18427.
· El problema involucró varias escalas de longitud, lo que significa que tenían que tener en cuenta las esferas en sí mismas (~ 10 nm), así como el espacio entre ellas, que intentaron llevar al límite de un espaciado atómico (~ 0.2nm)
· El hecho de que las fuerzas dependen de contribuciones de muchas frecuencias diferentes en un rango de casi 100eV
Pendry señala que los investigadores recién ahora están comenzando a explorar las consecuencias de la no localidad en los fenómenos superficiales a nanoescala, y están en proceso de construir modelos confiables. "Las fuerzas a nanoescala de nuestro artículo son solo un ejemplo de dónde es importante tratar la no localidad, donde la principal complicación es que la respuesta de un sistema en un punto dado depende no solo de los campos electromagnéticos en ese punto, pero también en los campos de la región circundante, un problema que muchos enfoques tradicionales no abordan ".
En su papel los científicos descubrieron que la no localidad debilita drásticamente la mejora del campo entre las esferas, y por tanto la interacción de van der Waals. "Las fuerzas de van der Waals, aunque de largo alcance en relación con los enlaces químicos estándar, solo son significativas cuando las superficies están bastante cerca unas de otras, "Pendry explica." La teoría local estándar predice una fuerza infinita en el límite que tocan las superficies, pero por supuesto que esto es una tontería. Por lo tanto, las predicciones que tienen sentido y se pueden comparar con experimentos deben tener en cuenta la no localidad ".
Relacionadamente, el documento afirma que la unión química, aunque no es una preocupación explícita en este estudio, dominará el enfoque final justo antes de que las superficies se toquen a unas pocas décimas de nanómetro, en cuyo punto entrará en juego el contacto directo de las cargas a través del túnel de electrones. "Las fuerzas que consideramos son complementarias a los enlaces químicos, Pendry aclara, "en el sentido de que el enfoque teórico actual de los enlaces químicos aprovecha la aproximación de densidad local. En otras palabras, así como un estudio de las fuerzas puras de van der Waals omite los enlaces químicos, por lo que un estudio de densidad local puro de enlaces no tiene nada que decir sobre las fuerzas de dispersión de mayor alcance que calculamos. Por supuesto, en algún momento, los dos tienen que unirse ... pero para que eso suceda, necesitamos aportaciones experimentales, y los estudios teóricos de las fuerzas de van der Waals son los primeros pasos para que esto suceda ".
El enfoque descrito en el documento hace que la investigación analítica de problemas no locales en 3D sea factible al tiempo que proporciona información sobre la comprensión de los efectos no locales en nanoestructuras plasmónicas. "Los cálculos siempre son difíciles cuando se tratan estructuras singulares, con lo que nos referimos a situaciones como las esferas que casi se tocan consideradas en nuestro artículo, pero también la interacción de puntas afiladas con superficies, "Pendry explica." El uso de transformaciones para desentrañar la singularidad revela cómo funcionan las fuerzas en cada una de estas situaciones, y, de hecho, a menudo nos permite mostrar un origen común ". Por ejemplo, con respecto a cómo sus resultados podrían influir en el desarrollo de sustratos subnanométricos funcionales, añade que "cualquier sistema nanomecánico debe considerar los efectos de las fuerzas de van der Waals, y nuestro artículo es un intento de ampliar nuestra comprensión de estos problemas".
Mirando hacia el futuro, Pendry dice Phys.org que las fuerzas de van der Waals son solo el primer paso de una serie de investigaciones que los científicos ya han planeado. "En el horizonte cercano se encuentra la transferencia de calor entre superficies cercanas pero que no están en contacto físico:las fluctuaciones electromagnéticas responsables de la fuerza de van der Waals también permiten que el calor salte a través del espacio, un efecto diferente de, y mucho más fuerte que, enfriamiento radiativo ". (El enfriamiento radiativo es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación térmica)." A largo plazo, intentaremos generalizar nuestra teoría de la fricción cuántica, por lo que las superficies que están cercanas pero que no están en contacto físico pueden experimentar un arrastre por fricción. La no localidad también es un tema importante en los efectos ".
Para concluir, Pendry señala que varias otras áreas de investigación podrían beneficiarse de su estudio, dado que la óptica de transformación es una técnica muy generalizada en la teoría electromagnética. "El presente estudio es solo uno de toda una serie de aplicaciones. Ya hemos visto muchos estudios de su aplicación a la invisibilidad, y lo hemos utilizado ampliamente para estudiar intensas mejoras de campo en estructuras plasmónicas, como la espectroscopia Raman mejorada de superficie. De hecho, Prácticamente cualquier problema en el que la radiación electromagnética interactúe con una estructura física podría beneficiarse potencialmente de la óptica de transformación y, en el caso de los sistemas plasmónicos, la no localidad siempre será un tema importante cuando se considere una superficie cercana ".
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