Американские физики смогли точно измерить свойства квантовых плазмонов – микроскопических частиц металлов, способных поглощать электромагнитное излучение и передавать его дальше в другой форме – и опубликовали свои выводы в статье в журнале Nature.

Наночастицы и тонкие полоски из некоторых металлов (к примеру, золота или серебра) способны поглощать видимый свет и передавать его дальше в виде других форм электромагнитного излучения. В это время на поверхности металла возникают так называемые плазмоны – коллективные колебания электронов, способные поглощать и испускать энергию в виде световых волн. Одним из самых ярких примеров работы плазмонов считается древнеримский кубок Ликурга – сосуд из стекла, меняющего прозрачность в зависимости от освещения.

Группа физиков под руководством Джонатана Шолла (Jonathan Scholl) из Стэнфордского университета (США) разработала методику, которая позволяет получать очень малые плазмоны – длиной меньше 10 нанометров – и точно изучить их свойства.

Сверхмалые плазмонные резонаторы обладают рядом свойств, которые невозможно объяснить с точки зрения классической физики. Как отмечают исследователи, наблюдение и изучение свойств таких плазмонов затруднено небольшой силой поглощенного излучения, которая зависит от объема частицы. Кроме того, одинаковые наночастицы таких размеров создать невероятно сложно, из-за чего страдает точность определения их свойств.

Шолл и его коллеги преодолели эти проблемы, заменив свет потоком электронов. По словам физиков, электроны действуют на кусочки металла таким же образом, что и свет, при очень небольших размерах плазмонов.

Исследователи изготовили небольшое количество серебряных нано-плазмонов размером от 2 до 20 нанометров и «осветили» их при помощи растрового просвечивающего электронного микроскопа (STEM). Высокоточный спектроскоп фиксировал характеристики электромагнитного излучения, которое возникало в ходе взаимодействия электронов с плазмонными наночастицами.

Физики обнаружили, что нано-плазмонные резонаторы обладают рядом интересных свойств. Так, уменьшение размеров плазмона сопровождалось ростом частоты вырабатываемого излучения и сокращением времени колебаний. Как объясняют исследователи, оба этих свойства не меняются при увеличении или уменьшении резонаторов, чья длина превышает 10 нанометров.

По словам исследователей, необычное поведение частиц объясняется появлением квантовых эффектов внутри них. В отличие от более крупных резонаторов, нано-плазмоны содержат в себе лишь несколько сотен электронов, участвующих в коллективных колебаниях.

Небольшое количество электронов обуславливает то, что их поведением управляют законы квантовой механики. Электроны распределяются по разным энергетическим уровням и из-за этого меньше сталкиваются, что и объясняет неожиданное усиление энергии колебаний по сравнению с более крупными плазмонами.

Руководствуясь результатами своего эксперимента, физики вывели несколько законов, описывающих поведение квантовых плазмонов при облучении светом или потоком электронов.

Шолл и его коллеги полагают, что

их опыты и выявленные ими закономерности помогут найти практическое применение для нано-плазмонных резонаторов. Как считают ученые, такие частицы могут помочь медикам уничтожать раковые клетки при помощи света, а также позволят разработать эффективные технологии искусственного фотосинтеза и преобразования энергии света в электричество.