Illustration artistique des effets non classiques dans l'électromagnétisme à l'échelle nanométrique. Lorsque le confinement des champs électromagnétiques dans les nanostructures devient comparable aux échelles de longueur électroniques dans les matériaux, les effets non classiques associés peuvent affecter considérablement la réponse électromagnétique. Cette illustration représente un nanodisque couplé à un film (la nanostructure étudiée dans ce travail); l'insert dans la loupe montre les échelles électroniques de longueur (dans ce cas, « l'épaisseur » de la charge induite en surface). Crédit :Groupe de recherche Marin Soljači
Le 11 décembre 2019, un cadre général pour l'incorporation et la correction des phénomènes électromagnétiques non classiques dans les systèmes à l'échelle nanométrique sera présenté dans la revue La nature .
Plus de 150 ans se sont écoulés depuis la publication de "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" de James Clerk Maxwell (1865). Son traité a révolutionné la compréhension fondamentale des champs électriques, champs magnétiques et lumière. Les 20 équations originales (élégamment réduites à quatre aujourd'hui), leurs conditions aux limites aux interfaces, et les fonctions de réponse électronique de masse (permissivité diélectrique et perméabilité magnétique) sont à la base de la capacité à manipuler les champs électromagnétiques et la lumière.
La vie sans les équations de Maxwell manquerait de la science la plus actuelle, communication et technologie.
Aux grandes (macro) échelles, les fonctions de réponse globale et les conditions aux limites classiques sont suffisantes pour décrire la réponse électromagnétique des matériaux, mais comme nous considérons des phénomènes à plus petite échelle, les effets non classiques deviennent importants. Un traitement conventionnel de l'électromagnétisme classique ne tient pas compte de la simple existence d'effets tels que la non-localité, débordement, et l'amortissement Landau activé par la surface. Pourquoi ce puissant cadre se décompose-t-il à l'échelle nanométrique ? Le problème est que les échelles de longueur électroniques sont au cœur de phénomènes non classiques, et ils ne font pas partie du modèle classique. Les échelles de longueur électroniques peuvent être considérées comme le rayon de Bohr ou l'espacement du réseau dans les solides :de petites échelles qui sont pertinentes pour les effets quantiques à portée de main.
Aujourd'hui, la voie de la compréhension et de la modélisation des phénomènes électromagnétiques à l'échelle nanométrique est enfin ouverte. Dans la percée La nature article "Un cadre théorique et expérimental général pour l'électromagnétisme à l'échelle nanométrique, " Yang et al. présentent un modèle qui étend la validité de l'électromagnétisme macroscopique au régime nano, combler l'écart d'échelle. Du côté théorique, leur cadre généralise les conditions aux limites en incorporant les échelles de longueur électroniques sous la forme de paramètres d de Feibelman.
Les paramètres d jouent un rôle analogue à celui de la permittivité , mais pour les interfaces. En termes de modélisation numérique, il est nécessaire d'apparier chaque interface à deux matériaux avec les paramètres d de Feibelman associés et de résoudre les équations de Maxwell avec les nouvelles conditions aux limites.
les vingt équations originales de Maxwell (aujourd'hui élégamment réduites en quatre), leurs conditions aux limites aux interfaces, et les fonctions de réponse électronique de masse (permittivité diélectrique - et perméabilité magnétique μ) sont à la base de notre capacité à manipuler les champs électromagnétiques et la lumière (ici sans courants ou charges externes d'interface). Crédit :Groupe de recherche Marin Soljači
Côté expérimental, les auteurs étudient les nanorésonateurs couplés à un film, une architecture multi-échelles par excellence. Le montage expérimental a été choisi en raison de son caractère non classique.
Toutefois, Yi Yang, récemment diplômé postdoctoral et auteur principal, a déclaré :« Quand nous avons construit notre expérience, nous avons eu la chance de tomber sur la bonne géométrie qui nous a permis d'observer les caractéristiques non classiques prononcées, qui étaient en fait inattendus et ont excité tout le monde. Ces fonctionnalités nous ont finalement permis de mesurer les paramètres d, qui sont difficiles à calculer pour certains matériaux plasmoniques importants comme l'or (comme dans notre cas)."
Le nouveau modèle et les expériences sont capitales à la fois pour la science fondamentale et pour diverses applications. Il établit un lien jusqu'ici inexploré entre l'électromagnétisme, science matérielle, et la physique de la matière condensée, qui pourrait conduire à d'autres découvertes théoriques et expérimentales dans tous les domaines connexes, y compris la chimie et la biologie. Côté application, ce travail indique la possibilité de concevoir la réponse optique au-delà du régime classique - un exemple serait d'explorer comment extraire plus de puissance des émetteurs à l'aide d'antennes.
Le professeur du MIT Marin Soljacic est enthousiaste :« Nous nous attendons à ce que ce travail ait un impact substantiel. Le cadre que nous présentons ouvre un nouveau chapitre pour la nanoplasmonique de pointe - l'étude des phénomènes optiques au voisinage nanométrique des surfaces métalliques - et la nanophotonique - le comportement des la lumière à l'échelle nanométrique et pour contrôler l'interaction d'objets à l'échelle nanométrique avec la lumière."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
