La nanoplasmonique - l'étude de la manipulation de la lumière à l'échelle nanométrique - a contribué à la production de nouveaux dispositifs de détection chimique et biologique, traitement du signal et énergie solaire. Cependant, les composants à de si petites échelles subissent des effets étranges que l'électrodynamique classique ne peut expliquer. Un défi particulier pour les théoriciens consiste à isoler les effets dits « non locaux », où les propriétés optiques d'une particule ne sont pas constantes mais dépendent des champs électromagnétiques proches.

Maintenant, Joel Yang et ses collègues de l'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering à Singapour, avec des collègues au Royaume-Uni et en Chine, ont utilisé à la fois des simulations et des expériences pour étudier les effets non locaux affichés par les électrons dans les nanostructures métalliques.

L'équipe a développé des simulations tridimensionnelles des spectres de spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS). EELS est une technique de laboratoire puissante qui peut fournir des informations sur les géométries des nanostructures, mais donne aussi lieu à des effets non locaux. Un dispositif EELS est utilisé pour tirer des électrons énergétiques sur une nanostructure métallique, puis pour mesurer la quantité d'énergie perdue par les électrons lorsqu'ils excitent des résonances plasmoniques dans l'échantillon. Précédemment, il avait été difficile pour les expérimentateurs d'interpréter correctement les spectres EELS parce que les effets non locaux ne sont pas pris en compte dans la théorie actuelle - les solutions pertinentes des équations de champ de Maxwell.

Yang et ses collègues présentent la première solution tridimensionnelle complète des équations de Maxwell pour un échantillon sondé par une source EELS. "Notre configuration théorique imite la configuration expérimentale et les équations étaient, pour la première fois, implémenté et résolu à l'aide d'un logiciel commercial, " dit Yang.

Les chercheurs ont appliqué leur théorie aux nanoprismes d'or triangulaires et ont conclu que des effets non locaux importants se produisent lorsque la longueur des côtés des prismes est inférieure à 10-50 nanomètres, provoquant une dispersion spatiale des champs électromagnétiques. Ils ont ensuite examiné les résultats réels d'EELS pour les nanostructures en « nœud papillon » en or. Chaque nœud papillon en or a été créé en joignant deux nanoprismes à leurs sommets à l'aide de ponts en or aussi étroits que 1,6 nanomètre (voir image).

Les nœuds papillon réels présentaient une dispersion spatiale du champ similaire à celle anticipée pour les prismes simples, mais avec une conduction haute fréquence considérablement réduite au niveau des ponts de connexion étroits. Les chercheurs supposent que la réduction du champ est causée par deux facteurs non inclus dans leur modèle :le confinement quantique dans les ponts étroits ainsi que la diffusion des électrons à partir des joints de grains. Ces facteurs contribuent à expliquer l'interaction entre la non-localité et la géométrie.

"Les modèles existants ont tendance à traiter les métaux comme ayant des propriétés optiques homogènes, ", dit Yang. "Nos résultats suggèrent qu'à l'échelle nanométrique, nous devons tenir compte du confinement quantique et de la granularité."