Учёные МГУ раскрыли влияние квантовых эффектов на оптические свойства парных золотых наночастиц
Полученные результаты позволяют точнее моделировать взаимодействие света с наноструктурами, что открывает новые горизонты для создания нанобиосенсоров и разработки новых нанофотонных технологий. Исследование опубликовано в журнале «Photonics» .
Наночастицы благородных металлов, таких как золото, давно привлекают внимание учёных благодаря их уникальным оптическим свойствам. Одним из наиболее важных явлений выступает локализованный поверхностный плазмонный резонанс, представляющий собой коллективное колебание электронов в частицах под воздействием света. В этом случае, при резонансных частотах происходит кратное усиление электромагнитного поля с концентрацией его вблизи плазмонной структуры, что и делает возможным манипулирование светом на наноуровне.
При уменьшении размеров частиц и зазоров между ними до нанометровых значений на их оптические свойствах начинают влиять квантовые эффекты. Среди них — пространственная нелокальность, связанная с распределением электронов внутри частиц, эффект расщепления электронного облака вблизи поверхности частиц, описываемый параметрами Фейбельмана, и затухание Ландау. Эти эффекты играют ключевую роль в изменении амплитуды и частоты плазмонного резонанса.
Учёные ВМК МГУ Ю.А. Еремин и В.В. Лопушенко предложили новый подход к изучению этих квантовых эффектов, основанный на мезоскопической теории и методе дискретных источников. Этот метод позволяет строго моделировать поведение электромагнитных полей в наноструктурах, учитывая как объёмные, так и поверхностные квантовые эффекты.
В результате проведенных исследований было показано, что поверхностные квантовые эффекты могут частично компенсировать снижение амплитуды плазмонного резонанса, вызванное объёмной нелокальностью. Это особенно важно для парных наночастиц с зазором порядка 1-2 нм, когда поверхностные эффекты начинают играть доминирующую роль.
Было установлено, что влияние квантового эффекта позволяет установить предельный уровень усиления поля в субнанометровом зазоре между частицами, то есть определить максимальный уровень чувствительности структуры к среде в зазоре. Это открывает возможности для создания биосенсоров с высокой чувствительностью, способных детектировать отдельные молекулы.
«Мы обнаружили, что с учетом поверхностных квантовых эффектов можно добиться более точного контроля над свойствами плазмонного резонанса. Это не только улучшает наши теоретические представления, но и прокладывает путь к разработке новых нанофотонных технологий», — отметил ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной электродинамики ВМК МГУ Юрий Еремин.
Полученные результаты особенно важны для разработки высокоточных биосенсоров, использующих плазмонный резонанс при анализе молекул в биологических и химических средах. Например, такие сенсоры могут применяться для диагностики заболеваний или мониторинга качества воды и воздуха. Кроме того, данные исследования могут быть полезны для создания нанофотонных устройств, обеспечивающих управление светом в масштабе, недоступном для традиционных технологий.