Une équipe de scientifiques a résolu le problème de longue date de la façon dont les électrons se déplacent en groupe à l'intérieur de nanoparticules cylindriques.

La nouvelle recherche offre une percée théorique inattendue dans le domaine de l'électromagnétisme, avec des perspectives pour la recherche sur les métamatériaux.

L'équipe de physiciens théoriciens, de l'Université d'Exeter et de l'Université de Strasbourg, a créé une théorie élégante expliquant comment les électrons se déplacent collectivement dans de minuscules nanoparticules métalliques en forme de cylindres.

Les travaux ont permis de mieux comprendre comment la lumière et la matière interagissent à l'échelle nanométrique, aland a des implications pour la réalisation de futurs dispositifs à l'échelle nanométrique exploitant des métamatériaux à base de nanoparticules aux propriétés optiques spectaculaires.

Les nanoparticules métalliques ont un noyau ionique chargé positivement, avec un nuage d'électrons chargés négativement tourbillonnant autour d'elle. Quand la lumière est braquée sur un tel objet métallique, le nuage électronique est déplacé.

Ce déplacement provoque la mise en oscillation de tout le groupe d'électrons autour du noyau positif. Le groupe d'électrons qui va et vient se comporte comme une seule particule (une soi-disant quasiparticule), connu sous le nom de "plasmon".

Le plasmon est principalement caractérisé par la fréquence à laquelle il oscille, qui est connue sous le nom de fréquence de résonance plasmon.

Explorer comment la fréquence de résonance du plasmon change en fonction de la géométrie de la nanoparticule qui l'héberge est une tâche fondamentale dans l'électromagnétisme moderne. On pense généralement que seules certaines géométries de nanoparticules peuvent être décrites avec la théorie analytique, c'est-à-dire sans recours aux lourds, calculs numériques chronophages.

La liste des géométries permettant une description analytique est largement considérée comme très courte, étant composé uniquement de nanoparticules sphériques et ellipsoïdales.

Ce fait est très gênant en raison de l'ubiquité expérimentale des nanoparticules cylindriques, qui se présentent dans une variété de rapports d'aspect de long, des nanofils en forme d'aiguille à affiner, nanodisques en forme de crêpe.

Dans la recherche, les chercheurs se sont penchés sur la façon dont les plasmons dans les nanoparticules cylindriques oscillent. En utilisant une technique théorique inspirée de la physique nucléaire, les chercheurs ont construit une théorie analytique élégante décrivant le comportement des plasmons dans des cylindres avec un rapport hauteur/largeur arbitraire.

La théorie a permis une description complète des nanoparticules plasmoniques cylindriques, décrivant simplement la résonance plasmonique dans les nanoparticules métalliques, des nanofils aux nanodisques circulaires.

Les deux théoriciens de la matière condensée ont également examiné la réponse plasmonique d'une paire de nanoparticules cylindriques couplées et ont trouvé des corrections mécaniques quantiques à leur théorie classique, ce qui est pertinent en raison de la petite, dimensions nanométriques des nanoparticules.

Le Dr Charles Downing du département de physique et d'astronomie de l'Université d'Exeter explique :" De manière assez inattendue, notre travail théorique apporte une profondeur, aperçu analytique des excitations plasmoniques dans les nanoparticules cylindriques, ce qui peut aider à guider nos collègues expérimentateurs fabriquant des nanotiges métalliques dans leurs laboratoires."

Guillaume Weick de l'Université de Strasbourg ajoute :« Il y a une tendance à s'appuyer de plus en plus sur des calculs intensifs pour décrire les systèmes plasmoniques. Dans notre travail de retour, nous révélons que d'humbles calculs au stylo et sur papier peuvent toujours expliquer des phénomènes intrigants à la pointe de la recherche sur les métamatériaux."

La percée théorique est d'une utilité immédiate pour un grand nombre de scientifiques travaillant avec des nano-objets dans la science de pointe de la plasmonique. Plus long terme, on espère que les excitations plasmoniques pourront être exploitées dans la prochaine génération de circuits ultra-compacts, conversion de l'énergie solaire et stockage de données à mesure que notre technologie devient de plus en plus miniaturisée.

Les modes plasmoniques dans les nanoparticules cylindriques et les dimères est publié dans Actes de la Royal Society A .