Учёные МГУ раскрыли влияние квантовых эффектов на оптические свойства парных золотых наночастиц

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.