Группа учёных представила инновационную методику анализа квантовых явлений, включая пространственную нелокальность, расщепление электронного облака и затухание Ландау в системах из парных наночастиц золота. Разработанный подход существенно повышает точность моделирования взаимодействия света с наноматериалами, что создаёт основу для прорывных технологий в области нанобиосенсоров и нанофотоники.
Наночастицы благородных металлов, таких как золото, уже много лет являются объектом пристального изучения благодаря их уникальной способности управлять светом на сверхмалых масштабах. Ключевой механизм здесь — локализованный поверхностный плазмонный резонанс, при котором электроны в частицах совершают согласованные колебания под действием световых волн. Это приводит к многократному усилению электромагнитного поля вблизи поверхности структур, открывая пути для создания миниатюрных оптических устройств.
Когда размеры частиц и промежутки между ними сокращаются до нанометрового диапазона, на первый план выходят квантовые эффекты. Среди них — перераспределение электронной плотности внутри частиц, фрагментация электронных оболочек на поверхности и диссипативные процессы, влияющие на амплитуду и частоту плазмонов. Эти явления кардинально меняют оптические свойства систем, что требует новых подходов к их изучению.
Специалисты предложили комбинированный метод, объединяющий мезоскопическую теорию и алгоритмы дискретного моделирования. Такой подход позволяет детально описывать электромагнитные поля в наноструктурах, учитывая как объёмные, так и поверхностные квантовые явления. Проведённые расчёты показали, что поверхностные эффекты способны нейтрализовать снижение интенсивности резонанса, вызванное нелокальными взаимодействиями. Это особенно актуально для пар частиц с зазорами 1–2 нм, где доминируют поверхностные процессы.
Исследователи также выявили, что квантовые эффекты задают пределы усиления поля в субнанометровых промежутках. Это открывает перспективу разработки сверхчувствительных биосенсоров, способных распознавать единичные молекулы. «Учёт поверхностных квантовых механизмов позволяет точнее управлять плазмонным резонансом, — отметил один из авторов работы Юрий Еремин. — Результаты не только углубляют понимание процессов, но и приближают нас к созданию устройств нового поколения».
Данное достижение имеет огромное значение для биотехнологий и экологического мониторинга. Например, сенсоры на основе открытых принципов смогут диагностировать заболевания на ранних стадиях или анализировать состав воды и воздуха с беспрецедентной точностью. Кроме того, управление светом в наномасштабе может революционизировать разработку оптических компьютеров и компактных датчиков.
Источник: scientificrussia.ru
