Electromagnetismo a nanoescala

viernes, diciembre 13, 2019

Han pasado más de ciento cincuenta años desde la publicación de "Una teoría dinámica del campo electromagnético" de James Clerk Maxwell (1865). ¿Cómo serían nuestras vidas sin esta publicación? 

Es difícil de imaginar, ya que este tratado revolucionó nuestra comprensión fundamental de los campos eléctricos, los campos magnéticos y la luz. Las veinte ecuaciones originales (hoy en día elegantemente reducidas a cuatro), sus condiciones límite en las interfaces y las funciones de respuesta electrónica en masa (permitividad dieléctrica y permeabilidad magnética) están en la raíz de nuestra capacidad para manipular campos electromagnéticos y luz. 




Debemos preguntarnos cuál sería nuestra vida sin las ecuaciones de Maxwell significa tratar de imaginar nuestra vida sin la mayor parte de la ciencia, las comunicaciones y la tecnología actuales.

En escalas grandes (macro), las funciones de respuesta masiva y las condiciones límite clásicas son suficientes para describir la respuesta electromagnética de los materiales, pero a medida que consideramos los fenómenos en escalas más pequeñas, los efectos no clásicos se vuelven importantes. 

Un tratamiento convencional del electromagnetismo clásico no tiene en cuenta la mera existencia de efectos como la no localidad [1], el derrame [2] y la amortiguación de Landau habilitada en la superficie. ¿Por qué este poderoso marco se descompone hacia nanoescalas [3]? El problema es que las escalas electrónicas de longitud están en el corazón de los fenómenos no clásicos, y no son parte del modelo clásico. Las escalas de longitud electrónicas pueden considerarse como el radio de Bohr o el espaciado reticular en sólidos: escalas pequeñas que son relevantes para los efectos cuánticos disponibles.

Hoy, el camino para comprender y modelar fenómenos electromagnéticos a nanoescala está finalmente abierto. En el avance del artículo de Nature "Un marco teórico y experimental general para el electromagnetismo a nanoescala", Yang et al. presenta un modelo que extiende la validez del electromagnetismo macroscópico al nano régimen. 

Desde el punto de vista teórico, su marco generaliza las condiciones de contorno al incorporar las escalas de longitud electrónicas en forma de los llamados parámetros d de Feibelman.

Los parámetros d juegan un papel análogo al de la permitividad ε, pero para las interfaces. En términos de modelado numérico, todo lo que hay que hacer es emparejar cada interfaz de dos materiales con los parámetros d Feibelman asociados y resolver las ecuaciones de Maxwell con las nuevas condiciones de contorno.

En el lado experimental, los autores investigan nanoresonadores acoplados a película, una arquitectura multiescala por excelencia. La configuración experimental fue elegida por su naturaleza no clásica. Aun así, el postdoctorado recién graduado y autor principal, Yi Yang, comenta: "Cuando construimos nuestro experimento, tuvimos la suerte de encontrar la geometría correcta que nos permitió observar las pronunciadas características no clásicas, que en realidad fueron inesperadas y emocionaron a todos. Estas características finalmente nos permitió medir los parámetros d, que son difíciles de calcular para algunos materiales plasmónicos importantes como el oro (como en nuestro caso) ".

El nuevo modelo y los experimentos son trascendentales tanto para la ciencia fundamental como para diversas aplicaciones. Hace una conexión hasta ahora inexplorada entre el electromagnetismo, la ciencia de los materiales y la física de la materia condensada, una que podría conducir a más descubrimientos teóricos y experimentales en todos los campos relacionados, incluida la química y la biología. En cuanto a la aplicación, este trabajo apunta a la posibilidad de diseñar la respuesta óptica más allá del régimen clásico; un ejemplo sería explorar cómo extraer más potencia de los emisores utilizando antenas.

El profesor del MIT, Marin Soljačić, está entusiasmado: "Esperamos que este trabajo tenga un impacto sustancial. El marco que presentamos abre un nuevo capítulo para la nanoplasmónica de vanguardia (el estudio de los fenómenos ópticos en la vecindad a nanoescala de las superficies metálicas) y la nanofotónica, el comportamiento de la luz en la escala nanométrica y para controlar la interacción de los objetos a escala nanométrica con la luz ".

Notas:

[1] el hecho de que los campos ópticos afectan la polarización no solo en su punto específico en el espacio, sino en un volumen vecino completo.

[2] la evidencia de que, cuando se considera la mecánica cuántica, los electrones no están completamente contenidos en los sólidos.


[3] por debajo de 10-20 nm, el tamaño de decenas de átomos de silicio en una fila.



Fuente y enlace de investigación: Yi Yang, Di Zhu, Wei Yan, Akshay Agarwal, Mengjie Zheng, John D. Joannopoulos, Philippe Lalanne, Thomas Christensen, Karl K. Berggren, Marin Soljačić. Un marco teórico y experimental general para el electromagnetismo a nanoescala. Nature , 2019

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