Ett team av forskare har löst det långvariga problemet med hur elektroner rör sig tillsammans som en grupp inuti cylindriska nanopartiklar.

Den nya forskningen ger ett oväntat teoretiskt genombrott inom området elektromagnetism, med perspektiv för metamaterialforskning.

Teamet av teoretiska fysiker, från University of Exeter och University of Strasbourg, skapat en elegant teori som förklarar hur elektroner rör sig kollektivt i små metallnanopartiklar formade som cylindrar.

Arbetet har lett till ny förståelse för hur ljus och materia interagerar på nanoskala, aland har implikationer för realiseringen av framtida enheter i nanoskala som utnyttjar nanopartikelbaserade metamaterial med spektakulära optiska egenskaper.

Metalliska nanopartiklar har en positivt laddad jonkärna, med ett moln av negativt laddade elektroner som virvlar runt. När ljus lyser på ett sådant metallföremål, det elektroniska molnet förskjuts.

Denna förskjutning gör att hela gruppen av elektroner sätts i svängning kring den positiva kärnan. Gruppen av elektroner som skvalpar fram och tillbaka beter sig som en enda partikel (en så kallad kvasipartikel), känd som en "plasmon".

Plasmonen kännetecknas främst av den frekvens med vilken den svänger, som är känd som plasmonresonansfrekvensen.

Att utforska hur resonansfrekvensen hos plasmonen förändras beroende på geometrin hos dess värdnanopartikel är en grundläggande uppgift inom modern elektromagnetism. Det är vanligt att endast vissa speciella nanopartikelgeometrier kan beskrivas med analytisk teori - det vill säga, utan att tillgripa tunga, tidskrävande numeriska beräkningar.

Listan över geometrier som tillåter en analytisk beskrivning anses allmänt vara mycket kort, består av endast sfäriska och ellipsoidala nanopartiklar.

Detta faktum är mycket obekvämt på grund av den experimentella förekomsten av cylindriska nanopartiklar, som uppstår i en mängd olika bildförhållanden från långa, nålliknande nanotrådar att tunna ut, pannkaksliknande nanoskivor.

I forskningen, forskarna tog upp hur plasmoner i cylindriska nanopartiklar oscillerar. Genom att använda en teoretisk teknik inspirerad av kärnfysik, forskarna byggde en elegant analytisk teori som beskriver beteendet hos plasmoner i cylindrar med ett godtyckligt bildförhållande.

Teorin har möjliggjort en fullständig beskrivning av cylindriska plasmoniska nanopartiklar, beskriver helt enkelt den plasmoniska resonansen i metalliska nanopartiklar från nanotrådar till cirkulära nanoskivor.

De två teoretiker av kondenserad materia övervägde också det plasmoniska svaret från ett par kopplade cylindriska nanopartiklar och fann kvantmekaniska korrigeringar till deras klassiska teori, vilket är relevant på grund av den lilla, nanometriska dimensioner av nanopartiklarna.

Dr Charles Downing från University of Exeters avdelning för fysik och astronomi förklarar:"Ganska oväntat, vårt teoretiska arbete ger djupa, analytisk insikt i plasmoniska excitationer i cylindriska nanopartiklar, som kan hjälpa till att vägleda våra experimentella kollegor som tillverkar metalliska nanorods i sina laboratorier."

Guillaume Weick från universitetet i Strasbourg tillägger:"Det finns en trend att öka beroendet av tunga beräkningar för att beskriva plasmoniska system. I vårt återgångsarbete, vi avslöjar ödmjuka penna-och-papper-beräkningar som fortfarande kan förklara spännande fenomen i framkanten av metamaterialforskning."

Det teoretiska genombrottet är till omedelbar nytta för en mängd forskare som arbetar med nanoobjekt inom plasmonikens banbrytande vetenskap. Längre period, man hoppas att plasmoniska excitationer kan utnyttjas i nästa generation av ultrakompakta kretsar, solenergiomvandling och datalagring i takt med att vår teknik blir allt mer miniatyriserad.

Plasmoniska lägen i cylindriska nanopartiklar och dimerer publiceras i Proceedings of the Royal Society A .