Den 11 december 2019, en allmän ram för införlivande och korrigering av icke -klassiska elektromagnetiska fenomen i nanoskala system kommer att presenteras i tidskriften Natur .

Mer än 150 år har gått sedan publiceringen av James Clerk Maxwells "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). Hans avhandling revolutionerade den grundläggande förståelsen för elektriska fält, magnetfält och ljus. De 20 ursprungliga ekvationerna (elegant reducerade till fyra idag), deras gränsvillkor vid gränssnitt, och huvudsakliga elektroniska svarsfunktioner (dielektrisk tillåtelse och magnetisk permeabilitet) är roten till förmågan att manipulera elektromagnetiska fält och ljus.

Livet utan Maxwells ekvationer skulle sakna den senaste vetenskapen, kommunikation och teknik.

På stora (makro) skalor, bulkresponsfunktioner och de klassiska randvillkoren är tillräckliga för att beskriva materialens elektromagnetiska svar, men när vi betraktar fenomen på mindre skalor, icke -klassiska effekter blir viktiga. En konventionell behandling av klassisk elektromagnetism tar inte hänsyn till själva existensen av effekter som icke -lokalitet, utsläpp, och ytaktiverad Landau-dämpning. Varför bryts detta kraftfulla ramverk ner på nanoskala? Problemet är att elektroniska längdskalor är kärnan i icke -klassiska fenomen, och de är inte en del av den klassiska modellen. Elektroniska längdvågar kan betraktas som Bohr -radien eller gitteravståndet i fasta ämnen:små vågar som är relevanta för kvanteffekterna.

I dag, vägen till förståelse och modellering av nanoskala elektromagnetiska fenomen är äntligen öppen. I genombrottet Natur papper "En allmän teoretisk och experimentell ram för nanoskala elektromagnetism, "Yang et al. Presenterar en modell som utvidgar giltigheten av den makroskopiska elektromagnetismen till nanoregimet, överbrygga skalgapet. På den teoretiska sidan, deras ramverk generaliserar gränsvillkoren genom att införliva de elektroniska längdskalorna i form av så kallade Feibelman d-parametrar.

D-parametrarna spelar en roll som är analog med permittivitetens, men för gränssnitt. När det gäller numerisk modellering, det är nödvändigt att para ihop varje tvåmaterialsgränssnitt med tillhörande Feibelman d-parametrar och lösa Maxwells ekvationer med de nya gränsvillkoren.

På den experimentella sidan, författarna undersöker filmkopplade nanoresonatorer, en typisk multiskala arkitektur. Den experimentella inställningen valdes på grund av dess icke -klassiska karaktär.

Ändå, nyutexaminerad postdoc och huvudförfattare Yi Yang säger, "När vi byggde vårt experiment, vi hade turen att stöta på rätt geometri som gjorde att vi kunde observera de uttalade icke -klassiska egenskaperna, som faktiskt var oväntade och upphetsade alla. Dessa funktioner gjorde det så småningom möjligt för oss att mäta d-parametrar, som är svåra att beräkna för några viktiga plasmoniska material som guld (som i vårt fall). "

Den nya modellen och experimenten är viktiga både för grundvetenskap och för olika tillämpningar. Det gör en hittills outforskad koppling mellan elektromagnetism, materialvetenskap, och kondenserad fysik - en som kan leda till ytterligare teoretiska och experimentella upptäckter inom alla relaterade områden, inklusive kemi och biologi. Applikationsmässigt, detta arbete pekar på möjligheten att konstruera det optiska svaret bortom den klassiska regimen - ett exempel skulle vara att utforska hur man extraherar mer kraft från sändare som använder antenner.

MIT-professor Marin Soljacic är entusiastisk:"Vi förväntar oss att detta arbete kommer att få stor inverkan. Den ram vi presenterar öppnar ett nytt kapitel för banbrytande nanoplasmonik-studiet av optiska fenomen i nanoskala närheten av metallytor-och nanofotonik-beteendet hos ljus på nanometerskalan-och för att styra interaktionen mellan objekt i nanometerskala med ljus. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.