物理学家解决电磁学中的几何难题

这项新研究为电磁学领域提供了意想不到的理论突破，并为超材料的研究提供了前景。

来自埃克塞特大学和斯特拉斯堡大学的理论物理学家团队创造了一个优雅的理论，解释了电子如何在形状像圆柱体的微小金属纳米粒子中共同移动。

这项工作使人们对光和物质如何在纳米尺度上相互作用产生了新的认识，对于使用具有惊人光学特性的基于纳米粒子的超材料，未来的纳米尺度设备的实现具有重要意义。

金属纳米粒子具有带正电的离子核，并在其周围旋绕着带负电的电子云。当光照射到这种金属物体上时，电子云就会移动。

这种位移使整个电子群都围绕正核振荡。来回晃动的那组电子的行为就像一个被称为“等离激元”的单个粒子（所谓的准粒子）一样。

等离子体激元的主要特征是其振荡的频率，即等离子体激元共振频率。

探索等离子体激元的共振频率如何取决于其宿主纳米粒子的几何形状是现代电磁学的一项基本任务。通常认为，只有某些特定的纳米颗粒几何形状可以用分析理论来描述-也就是说，无需借助繁琐且费时的数值计算。

人们普遍认为，允许进行分析描述的几何结构列表非常短，仅由球形和椭圆形纳米颗粒组成。

由于圆柱状纳米颗粒的实验普遍存在，这一事实非常不便，它以各种长宽比出现，从长的针状纳米线到薄的薄饼状纳米盘。

在这项研究中，研究人员研究了圆柱形纳米粒子中的等离激元如何振荡。通过使用受核物理学启发的理论技术，研究人员建立了一种优雅的分析理论，以任意纵横比描述圆柱体中的等离子体激元行为。

该理论使圆柱等离子纳米颗粒的完整描述成为可能，仅描述了从纳米线到圆形纳米盘的金属纳米颗粒中的等离子共振。

两位凝聚态理论家还考虑了一对耦合的圆柱纳米粒子的等离子体响应，并发现了对其经典理论的量子力学校正，这与纳米粒子的小，纳米尺寸有关。

埃克塞特大学物理与天文学系的Charles Downing博士解释说：“出乎意料的是，我们的理论工作为圆柱纳米颗粒中的等离子体激发提供了深刻的分析见解，这可以帮助指导我们的实验同事在其实验室中制造金属纳米棒。”

斯特拉斯堡大学的Guillaume Weick补充说：“为了描述等离激元系统，人们越来越依赖重型计算。在返修工作中，我们揭示了不起眼的纸笔计算仍然可以解释最前沿的有趣现象。超材料研究”。

理论上的突破对于在等离子技术的前沿科学中从事纳米物体研究的众多科学家具有直接的实用性。从长远来看，随着我们的技术变得越来越微型化，希望在下一代超紧凑电路，太阳能转换和数据存储中可以利用等离子体激元激发。