Анализ влияния квантовых эффектов на оптические характеристики плазмонных наночастиц методом дискретных источников

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Метод дискретных источников адаптирован для исследования проявления поверхностных квантовых эффектов, основанных на мезоскопических граничных условиях с параметрами Фейбельмана. Проводится сравнительный анализ влияния объемных эффектов нелокальности в рамках теории обобщенного нелокального отклика и поверхностных эффектов на оптические характеристики золотых и серебряных наночастиц. Установлено, что если учет эффекта нелокальности для благородных металлов всегда сопровождается снижением амплитуды и сдвигом в коротковолновую область, то влияние поверхностного эффекта существенно зависит от геометрии частиц. При этом мезоскопические граничные условия в значительной степени восстанавливают амплитуду плазмонного резонанса по сравнению с объемным эффектом нелокальности. Это различие особенно заметно при сравнительном анализе коэффициента усиления поля на поверхности частиц. Также установлено существенное отличие в поведении плазмонного резонанса для золотых и серебряных частиц для случая мезоскопических граничных условий. Библ. 27. Фиг. 6.

Об авторах

Ю. А. Еремин

МГУ им. М.В. Ломоносова, ВМК

Email: eremin@cs.msu.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 52

В. В. Лопушенко

МГУ им. М.В. Ломоносова, ВМК

Автор, ответственный за переписку.
Email: lopushnk@cs.msu.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 52

Список литературы

  1. Barnes W.L., Dereux A., Ebbesen T.W. Surface plasmon subwavelength optics // Nature. 2003. V. 424. P. 824.
  2. Chon J.W.M., Iniewski K. Nanoplasmonics. Advanced Device Applications. CRC Press. 2018.
  3. Shi H., Zhu X., Zhang S. et al. Plasmonic metal nanostructures with extremely small features: new effects, fabrication and applications // Nanoscale Adv. 2021. V. 3. P. 4349.
  4. David C., Garcìa de Abajo F.J. Surface Plasmon Dependence on the Electron Density Profile at Metal Surfaces // ACS Nano. 2014. V. 8. № 9. P. 9558.
  5. Zhu W., Esteban R., Borisov A.G. et al. Quantum mechanical effects in plasmonic structures with subnanometre gaps // Nat. Commun. 2016. V. 7. 11495.
  6. Ullrich C.A. Time-Dependent Density-Functional Theory: Concepts and Applications. OUP Oxford. 2011.
  7. Sinha-Roy R., Garcìa-Gonźlez P., Weissker H.-C. et al. Classical and ab initio plasmonics meet at sub-nanometric noble metal rods // ACS Photonics. 2017. V. 4. № 6. P. 1484.
  8. Toscano G., Straubel J., Kwiatkowski A. et al. Resonance shifts and spill-out effects in self-consistent hydrodynamic nanoplasmonics // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 1. P. 7132.
  9. Mortensen N.A., Raza S., Wubs M. et al. A generalized non-local optical response theory for plasmonic nanostructures // Nat. Commun. 2014. V. 5. 3809.
  10. Kupresak M., Zheng X., Gae V., Moshchalkov V.V. Appropriate nonlocal hydro- dynamic models for the characterization of deep-nanometer scale plasmonic scatterers // Adv. Theory Simul. 2019. V. 3. 1900172.
  11. Feibelman P.J. Surface electromagnetic fields // Prog. Surf. Sci. 1982. V. 12. 287.
  12. Deng H.-Y. A theory of electrodynamic response for bounded metals: Surface capacitive effects // Ann. Phys. 2020. V. 418. 168204.
  13. Yang Y., Zhu D., Yan W. et al. A general theoretical and experimental framework for nanoscale electromagnetism // Nature (London). 2019. V. 576. 248.
  14. Gonçalves P.A.D., Christensen T., Rivera N. et al. Plasmon–emitter interactions at the nanoscale // Nat. Commun. 2020. V. 11. 366.
  15. Stamatopoulou P.E., Tserkezis C. Finite-size and quantum effects in plasmonics: manifestations and theoretical modelling [Invited] // Optical Materials Express. 2022. V. 12. № 5. P. 1869.
  16. Mortensen N.A. Mesoscopic electrodynamics at metal surfaces (Review) // Nanophotonics 2021. V. 10. № 10. P. 2563.
  17. Yang F., Ding K. Transformation optics approach to mesoscopic plasmonics // Phys. Rev. B. 2022. V. 105. L121410.
  18. Mortensen N.A., Gonçalves P.A.D., Shuklin F.A. et al. Surface-response functions obtained from equilibrium electron-density profiles // Nanophotonics. 2021. V. 10. № 14. P. 3647.
  19. Еремин Ю.А., Свешников А.Г. Математическая модель учета эффекта нелокальности плазмонных структур на основе метода дискретных источников // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2018. Т. 58. № 4. С. 586.
  20. Еремин Ю.А., Свешников А.Г. Квазиклассические модели квантовой наноплазмоники на основе метода Дискретных источников (обзор) // Журн. вычисл. матем.и матем. физ. 2021. Т. 61. № 4. С. 34.
  21. Doicu A., Eremin Yu., Wriedt T. Acoustic and Electromagnetic Scattering Analysis Using Discrete Sources. San Diego: Academic Press, 2000.
  22. Еремин Ю.А., Свешников А.Г. Математические модели задач нанооптики и биофотоники на основе метода дискретных источников // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2007. Т. 47. № 2. С. 266.
  23. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1975.
  24. Колтон Д., Кресс Р. Методы интегральных уравнений в теории рассеяния. М.: Мир, 1987.
  25. Еремин Ю.А., Захаров Е.В. Аналитическое представление для интегрального поперечника рассеяния в рамках интегрофункционального метода Дискретных источников // Дифференц. ур-ния. 2022. Т. 58. № 8. С. 1073.
  26. Svendsen M.K., Wolff C., Jauho A.-P. et al. Role of diffusive surface scattering in nonlocal plasmonics // J. Phys.: Condens. Matter. 2020. V. 32. 395702.
  27. Echarri R.A., Gonçalves P.A.D., Tserkezis C. et al. Optical response of noble metal nanostructures: Quantum surface effects in crystallographic facets // Optica. 2021. V. 8. № 5. P. 710.

Дополнительные файлы


© Ю.А. Еремин, В.В. Лопушенко, 2023