Un equipo de científicos ha resuelto el antiguo problema de cómo los electrones se mueven juntos como un grupo dentro de nanopartículas cilíndricas.

La nueva investigación proporciona un avance teórico inesperado en el campo del electromagnetismo, con perspectivas para la investigación de metamateriales.

El equipo de físicos teóricos, de la Universidad de Exeter y la Universidad de Estrasburgo, creó una elegante teoría que explica cómo los electrones se mueven colectivamente en diminutas nanopartículas de metal con forma de cilindros.

El trabajo ha llevado a una nueva comprensión de cómo la luz y la materia interactúan a nanoescala, aland tiene implicaciones para la realización de futuros dispositivos a nanoescala que exploten metamateriales basados ​​en nanopartículas con propiedades ópticas espectaculares.

Las nanopartículas metálicas tienen un núcleo iónico cargado positivamente, con una nube de electrones cargados negativamente arremolinándose a su alrededor. Cuando se ilumina un objeto tan metálico, la nube electrónica se desplaza.

Este desplazamiento hace que todo el grupo de electrones oscile alrededor del núcleo positivo. El grupo de electrones que se balancean hacia adelante y hacia atrás se comporta como una sola partícula (una llamada cuasipartícula), conocido como "plasmón".

El plasmón se caracteriza principalmente por la frecuencia a la que oscila, que se conoce como frecuencia de resonancia de plasmón.

Explorar cómo cambia la frecuencia de resonancia del plasmón en función de la geometría de su nanopartícula de alojamiento es una tarea fundamental en el electromagnetismo moderno. Se piensa comúnmente que solo algunas geometrías particulares de nanopartículas pueden describirse con la teoría analítica, es decir, sin recurrir a lo pesado, cálculos numéricos que consumen mucho tiempo.

Se cree que la lista de geometrías que permiten una descripción analítica es muy corta, estando compuesto únicamente por nanopartículas esféricas y elipsoidales.

Este hecho es muy inconveniente debido a la ubicuidad experimental de nanopartículas cilíndricas, que surgen en una variedad de proporciones de largo, nanocables en forma de aguja para adelgazar, nanodiscos en forma de panqueque.

En la investigación, los investigadores abordaron cómo oscilan los plasmones en nanopartículas cilíndricas. Utilizando una técnica teórica inspirada en la física nuclear, los investigadores construyeron una elegante teoría analítica que describe el comportamiento de los plasmones en cilindros con una relación de aspecto arbitraria.

La teoría ha permitido una descripción completa de nanopartículas plasmónicas cilíndricas, describiendo simplemente la resonancia plasmónica en nanopartículas metálicas desde nanocables hasta nanodiscos circulares.

Los dos teóricos de la materia condensada también consideraron la respuesta plasmónica de un par de nanopartículas cilíndricas acopladas y encontraron correcciones mecánicas cuánticas a su teoría clásica, que es relevante debido a lo pequeño, dimensiones nanométricas de las nanopartículas.

El Dr. Charles Downing, del departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Exeter, explica:"De manera inesperada, nuestro trabajo teórico proporciona profundidad, conocimiento analítico de las excitaciones plasmónicas en nanopartículas cilíndricas, lo que puede ayudar a guiar a nuestros colegas experimentales que fabrican nanobarras metálicas en sus laboratorios ".

Guillaume Weick, de la Universidad de Estrasburgo, añade:"Existe una tendencia a depender cada vez más de los cálculos de alta resistencia para describir los sistemas plasmónicos. En nuestro trabajo de retroceso, revelamos que los humildes cálculos con lápiz y papel aún pueden explicar fenómenos intrigantes en la vanguardia de la investigación de metamateriales ".

El avance teórico es de utilidad inmediata para una franja de científicos que trabajan con nanoobjetos en la ciencia de vanguardia de la plasmónica. A más largo plazo, Se espera que las excitaciones plasmónicas puedan explotarse en la próxima generación de circuitos ultracompactos, conversión de energía solar y almacenamiento de datos a medida que nuestra tecnología se vuelve cada vez más miniaturizada.

Los modos plasmónicos en nanopartículas cilíndricas y dímeros se publica en Actas de la Royal Society A .