Nanoplasmonics – studiet av ljusmanipulation på nanometerskala – har bidragit till produktionen av nya enheter för kemisk och biologisk avkänning, signalbehandling och solenergi. Dock, komponenter i så små skalor upplever konstiga effekter som klassisk elektrodynamik inte kan förklara. En särskild utmaning för teoretiker ligger i att isolera så kallade "icke-lokala" effekter, varvid de optiska egenskaperna hos en partikel inte är konstanta utan beror på närliggande elektromagnetiska fält.

Nu, Joel Yang och kollegor vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore, med medarbetare i Storbritannien och Kina, har använt både simuleringar och experiment för att undersöka de icke-lokala effekterna som visas av elektroner i metallnanostrukturer.

Teamet utvecklade tredimensionella simuleringar av elektron-energiförlustspektroskopi (EELS) spektra. EELS är en kraftfull laboratorieteknik som kan ge information om nanostrukturgeometrier, men ger också upphov till icke-lokala effekter. En EELS-enhet används för att avfyra energiska elektroner mot en metallnanostruktur och sedan för att mäta hur mycket energi elektronerna förlorar när de exciterar plasmonresonanser i provet. Tidigare, det hade varit svårt för experimentalister att korrekt tolka EELS-spektra eftersom de icke-lokala effekterna inte beaktas i nuvarande teori – de relevanta lösningarna av Maxwells fältekvationer.

Yang och medarbetare presenterar den första fullständiga tredimensionella lösningen av Maxwells ekvationer för ett prov som undersöks av en EELS-källa. "Vår teoretiska konfiguration efterliknar den experimentella uppställningen och ekvationerna var, för första gången, implementerat och löst med kommersiell programvara, säger Yang.

Forskarna tillämpade sin teori på triangulära guldnanoprismor och drog slutsatsen att betydande icke-lokala effekter uppstår när prismornas sidolängd är mindre än 10–50 nanometer, orsakar en rumslig spridning av elektromagnetiska fält. De undersökte sedan verkliga EELS-resultat för nanostrukturer av guld "bowtie" - varje guldfluga skapades genom att sammanfoga två nanoprismor vid sina toppar med hjälp av guldbroar så smala som 1,6 nanometer (se bild).

De riktiga flugorna uppvisade en liknande rumslig fältspridning som den som förväntades för enkla prismor, men med kraftigt reducerad högfrekvent ledning vid de smala förbindelsebryggorna. Forskarna spekulerar i att fältminskningen orsakas av två faktorer som inte ingår i deras modell - kvantinneslutning i de smala broarna samt elektronspridning från korngränser. Dessa faktorer hjälper till att förklara samspelet mellan icke-lokalitet och geometri.

"Befintliga modeller tenderar att behandla metaller som har homogena optiska egenskaper, " säger Yang. "Våra resultat tyder på att vi på nanoskala måste ta hänsyn till kvantinneslutning och granularitet."