(Phys.org) — L'omniprésent van der Waals l'interaction - une conséquence des fluctuations de charge quantique - comprend les forces intermoléculaires telles que l'attraction et la répulsion entre les atomes, molécules et surfaces. La force la plus longue portée agissant entre les particules, il influence une série de phénomènes, y compris l'adhérence de surface, friction et stabilité des colloïdes. Typiquement une tâche simple lorsque les surfaces parallèles sont éloignées de plus de 10 nanomètres, calculer les forces de van der Waals entre, par exemple, une paire de nanosphères distantes de moins de cinq nanomètres devient assez difficile. De plus, cette dernière échelle nécessite que l'effet de non-localité (l'interaction directe de deux objets qui sont séparés dans l'espace sans agence ou mécanisme intermédiaire perceptible) soit pris en compte, introduire de la complexité dans, et ainsi entraver davantage, une analyse.

Récemment, cependant, scientifiques de l'Imperial College de Londres, Londres a proposé une solution analytique simple, montrant - pour la première fois, les chercheurs disent que la non-localité dans les systèmes plasmoniques 3D peut être analysée avec précision à l'aide de l'optique de transformation. ( Plasmons sont des quasiparticules issues de la quantification des oscillations du plasma aux fréquences optiques; en arrangeant les champs électromagnétiques d'une manière spécifique, optique de transformation détermine la direction dans laquelle le rayonnement électromagnétique se propagera.) Les scientifiques suggèrent également que leurs résultats augmentent la compréhension sous-jacente des effets non locaux dans les nanostructures plasmoniques.

Le professeur Sir John Pendry a discuté du document qu'il, Dr Yu Luo et Dr Rongkuo Zhao publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . "La non-localité introduit une complexité de calcul qui rend les calculs difficiles, " Pendry raconte Phys.org . « Nous avons trouvé une solution de contournement qui simplifie grandement les calculs en remplaçant le système non local par un système local qui reproduit les résultats avec un degré de précision élevé. » Spécifiquement, les scientifiques ont montré que la non-localité dans les systèmes plasmoniques 3D peut être analysée avec précision en utilisant l'approche de l'optique de transformation - la première fois que la technique a été appliquée aux forces de van der Waals - qu'ils ont appliquée pour résoudre le problème de l'inclusion d'effets non locaux lorsque deux corps nanométriques interagissent .

"La clé pour exploiter avec succès l'optique de transformation, " Pendry fait remarquer, « est de choisir la bonne transformation. Dans notre cas, nous avons pu transformer le problème de deux sphères qui se touchent presque en un problème beaucoup plus symétrique de deux sphères concentriques. » En faisant ainsi, les chercheurs ont dû relever deux défis :

· le problème impliquait plusieurs échelles de longueur, ce qui signifie qu'ils devaient prendre en compte les sphères elles-mêmes (~10nm) ainsi que l'espacement entre elles, qu'ils ont essayé de pousser à la limite d'un espacement atomique (~0,2 nm)

· le fait que les forces dépendent des contributions de nombreuses fréquences différentes sur une plage de près de 100eV

Pendry note que les chercheurs commencent seulement maintenant à explorer les conséquences de la non-localité dans les phénomènes de surface à l'échelle nanométrique, et sont en train de construire des modèles fiables. "Les forces nanométriques dans notre article ne sont qu'un exemple où il est important de traiter la non-localité, où la principale complication est que la réponse d'un système en un point donné ne dépend pas seulement des champs électromagnétiques en ce point, mais aussi sur les champs de la région environnante - un problème que de nombreuses approches traditionnelles ne parviennent pas à résoudre."

Dans leur papier, les scientifiques ont découvert que la non-localité affaiblit considérablement l'amélioration du champ entre les sphères, et donc l'interaction de van der Waals. « les forces de van der Waals – bien que de longue portée par rapport aux liaisons chimiques standard – ne sont significatives que lorsque les surfaces sont assez proches les unes des autres, " explique Pendry. " La théorie locale standard prédit une force infinie dans la limite que les surfaces touchent - mais bien sûr, c'est un non-sens. Par conséquent, les prédictions qui ont du sens et peuvent être comparées à des expériences doivent prendre en compte la non-localité. »

En relation, l'article indique que la liaison chimique - bien qu'elle ne soit pas une préoccupation explicite dans cette étude - dominera l'approche finale juste avant que les surfaces ne se touchent à quelques dixièmes de nanomètre, à quel point le contact direct des charges entrera en jeu par effet tunnel électronique. "Les forces que nous considérons sont complémentaires de la liaison chimique, " Pendry précise, "en ce que l'approche théorique actuelle des liaisons chimiques exploite l'approximation de la densité locale. En d'autres termes, tout comme une étude des forces pures de van der Waals omet la liaison chimique, donc une étude de densité locale pure des liaisons n'a rien à dire sur les forces de dispersion à plus longue portée que nous calculons. Bien sûr, à un moment donné, les deux doivent se réunir… mais pour que cela se produise, nous avons besoin de données expérimentales – et les études théoriques des forces de van der Waals sont les premières étapes pour y parvenir. »

L'approche décrite dans l'article rend possible l'étude analytique des problèmes non locaux 3D tout en donnant un aperçu de la compréhension des effets non locaux dans les nanostructures plasmoniques. « Les calculs sont toujours difficiles lorsqu'il s'agit de traiter des structures singulières – nous entendons par là des situations telles que les sphères presque touchantes considérées dans notre article – mais aussi l'interaction de pointes acérées avec des surfaces, " explique Pendry. " Utiliser des transformations pour démêler la singularité révèle comment les forces agissent dans chacune de ces situations, et en fait nous permet souvent de montrer une origine commune." Par exemple, concernant la façon dont leurs résultats pourraient influencer le développement de substrats subnanométriques fonctionnels, il ajoute que « tout système nanomécanique doit tenir compte des effets des forces de van der Waals – et notre article est une tentative d'approfondir notre compréhension de ces problèmes ».

Regarder vers l'avant, Pendry raconte Phys.org que les forces de van der Waals ne sont que la première étape d'une série d'enquêtes que les scientifiques ont déjà planifiées. « À l'horizon proche se trouve le transfert de chaleur entre des surfaces proches mais sans contact physique :les fluctuations électromagnétiques responsables de la force de van der Waals permettent également à la chaleur de traverser l'espace - un effet différent de, et bien plus fort que, refroidissement radiatif. » (Le refroidissement radiatif est le processus par lequel un corps perd de la chaleur par rayonnement thermique.) « À plus long terme, nous allons essayer de généraliser notre théorie du frottement quantique, par lequel les surfaces qui sont proches mais pas en contact physique peuvent subir une traînée de friction. La non-localité est également un problème important dans les effets. »

En terminant, Pendry note que plusieurs autres domaines de recherche pourraient bénéficier de leur étude, étant donné que l'optique de transformation est une technique très générale en théorie électromagnétique. "La présente étude n'est qu'une application parmi toute une série. Nous avons déjà vu de nombreuses études sur son application à l'invisibilité, et nous l'avons largement utilisé pour étudier les améliorations de champ intenses dans les structures plasmoniques, comme la spectroscopie Raman améliorée en surface. En réalité, pratiquement n'importe quel problème qui a un rayonnement électromagnétique interagissant avec une structure physique pourrait potentiellement bénéficier de l'optique de transformation - et dans le cas des systèmes plasmoniques, la non-localité sera toujours un problème important chaque fois que des surfaces à proximité immédiate sont prises en compte. »

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