Ilustração artística de efeitos não clássicos no eletromagnetismo em nanoescala. Quando o confinamento de campos eletromagnéticos em nanoestruturas se torna comparável às escalas eletrônicas de comprimento em materiais, os efeitos não clássicos associados podem afetar substancialmente a resposta eletromagnética. Esta ilustração representa um nanodisco acoplado a filme (a nanoestrutura estudada neste trabalho); a inserção na lupa mostra as escalas eletrônicas de comprimento (neste caso, a 'espessura' da carga induzida superficial). Crédito:Grupo de Pesquisa Marin Soljači
Em 11 de dezembro, 2019, uma estrutura geral para incorporar e corrigir fenômenos eletromagnéticos não clássicos em sistemas em nanoescala será apresentada na revista. Natureza .
Mais de 150 anos se passaram desde a publicação de "Uma Teoria Dinâmica do Campo Eletromagnético" de James Clerk Maxwell (1865). Seu tratado revolucionou a compreensão fundamental dos campos elétricos, campos magnéticos e luz. As 20 equações originais (elegantemente reduzidas a quatro hoje), suas condições de contorno nas interfaces, e as funções de resposta eletrônica em massa (permissividade dielétrica e permeabilidade magnética) estão na raiz da capacidade de manipular campos eletromagnéticos e luz.
A vida sem as equações de Maxwell careceria da ciência mais atual, comunicações e tecnologia.
Em escalas grandes (macro), as funções de resposta em massa e as condições de contorno clássicas são suficientes para descrever a resposta eletromagnética dos materiais, mas ao considerarmos fenômenos em escalas menores, efeitos não clássicos tornam-se importantes. Um tratamento convencional do eletromagnetismo clássico falha em explicar a mera existência de efeitos como a não localidade, derramar, e amortecimento Landau habilitado para superfície. Por que essa estrutura poderosa se quebra em nanoescalas? O problema é que escalas eletrônicas de comprimento estão no cerne de fenômenos não clássicos, e eles não fazem parte do modelo clássico. As escalas eletrônicas de comprimento podem ser consideradas o raio de Bohr ou o espaçamento da rede em sólidos:pequenas escalas que são relevantes para os efeitos quânticos em questão.
Hoje, o caminho para compreender e modelar fenômenos eletromagnéticos em nanoescala está finalmente aberto. Na descoberta Natureza artigo "A General Theoretical and Experimental Framework for Nanoscale Electromagnetism, "Yang et al. Apresentam um modelo que estende a validade do eletromagnetismo macroscópico para o nano regime, preencher a lacuna de escala. Do lado teórico, sua estrutura generaliza as condições de contorno incorporando as escalas eletrônicas de comprimento na forma dos chamados parâmetros d de Feibelman.
Os parâmetros d desempenham um papel análogo ao da permissividade, mas para interfaces. Em termos de modelagem numérica, é necessário emparelhar cada interface de dois materiais com os parâmetros d de Feibelman associados e resolver as equações de Maxwell com as novas condições de contorno.
As vinte equações originais de Maxwell (hoje elegantemente reduzidas a quatro), suas condições de contorno nas interfaces, e as funções de resposta eletrônica em massa (permissividade dielétrica - e permeabilidade magnética μ) estão na raiz de nossa capacidade de manipular campos eletromagnéticos e luz (aqui sem correntes ou cargas de interface externa). Crédito:Grupo de Pesquisa Marin Soljači
Do lado experimental, os autores investigam nanorressonadores acoplados a filme, uma arquitetura multiescalar quintessencial. A configuração experimental foi escolhida devido à sua natureza não clássica.
Mesmo assim, Pós-doutorado recém-formado e autor principal Yi Yang diz:"Quando construímos nosso experimento, tivemos a sorte de encontrar a geometria certa que nos permitiu observar as características não clássicas pronunciadas, que foram realmente inesperados e entusiasmaram a todos. Esses recursos eventualmente nos permitiram medir os parâmetros d, que são difíceis de calcular para alguns materiais plasmônicos importantes como o ouro (como em nosso caso). "
O novo modelo e experimentos são importantes para a ciência fundamental e para diversas aplicações. Faz uma conexão até então inexplorada entre eletromagnetismo, ciência material, e física da matéria condensada - que pode levar a novas descobertas teóricas e experimentais em todos os campos relacionados, incluindo química e biologia. Em termos de aplicação, este trabalho aponta para a possibilidade de projetar a resposta óptica além do regime clássico - um exemplo seria explorar como extrair mais potência de emissores usando antenas.
O professor do MIT Marin Soljacic está entusiasmado:"Esperamos que este trabalho tenha um impacto substancial. A estrutura que apresentamos abre um novo capítulo para nanoplasmônica de ponta - o estudo de fenômenos ópticos na vizinhança em nanoescala de superfícies de metal - e nanofotônica - o comportamento de luz na escala nanométrica - e para controlar a interação de objetos na escala nanométrica com a luz. "
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
