Сильное взаимодействие света с веществом поддалось моделированию

Ученая-физик предложила новую модель для описания взаимодействия света с веществом и рассчитала с помощью нее явления, которые не могла описать предыдущая модель. Она показала влияние сильной и слабой электрон-фотонной связи, предсказала, как эту связь можно контролировать, и смогла пронаблюдать дифракцию электронов в системе. Работа опубликована в Physical Review Letters.

В исследованиях взаимодействия света с веществом не последнюю роль играют плазмонные структуры. Чаще всего это металлы или полупроводники. При облучении металла светом большинство фотонов отражается от поверхности (поэтому металлы выглядят такими блестящими), но есть и такие, которые проникают внутрь и вызывают колебания свободных электронов — плазменные колебания. В последнем случае фотоны должны иметь частоту, совпадающую с частотой энергетического перехода металла, который чаще всего лежит в ультрафиолетовой области.

Однако у золота и меди есть переходы между уровнями, которые лежат в видимом диапазоне, поэтому их чаще всего используют для исследований. Различают объемные, поверхностные (возмущение распространяется по поверхности материала) и локализованные плазмоны. Последний тип реализуется на золотых или медных наноструктурах, вокруг которых локализуется усиливающее электромагнитное поле. Подробнее о плазмонах вы можете прочитать в нашем материале «Квантовая азбука».

Слабое взаимодействие электронов и фотонов (не путать с фундаментальными взаимодействиями) удобно для исследования коллективных возбуждений, например, плазмонов и приводит к большому числу процессов поглощения и испускания. Поэтому типичный спектр слабого взаимодействия состоит из множества резонансов и представляет собой частотную гребенку с интенсивным центральным пиком и убывающими по мере удаления от центра боковыми.

Сильное взаимодействие приводит к тому, что энергия центрального пика в спектре расползается и в системе возникают упругие и неупругие взаимодействия высоких порядков. Помимо этого, он может приводить к запутыванию фотона с электроном, а при определенным условиях сила связи между ними может существенно возрастать, что позволяет наблюдать новые явления. И если экспериментально их уже наблюдали, то существующая теория адиабатического приближения не учитывает роль дифракции и электронной отдачи (отклонение электрона после взаимодействия с фотоном).

Нахид Талеби (Nahid Talebi) из Кильского университета исследовала взаимодействия медленных и быстрых электронов с плазмонными возбуждениями в ближнем поле. Она разработала на основе комбинации уравнений Максвелла и Шредингера для слабосвязанного гамильтониана модель, которая, в отличие от адиабатической аппроксимации, подходит для моделирования упругих и неупругих взаимодействий, контроля сильных и слабых взаимодействий, дифракции и аттосекундной группировки.

В работе автор моделировала динамику взаимодействия электронного волнового пакета с локализованными плазмонами при разных условиях. Оказалось, что увеличение амплитуды лазерного сигнала делает взаимодействие фотонов с электронами сильнее. Контролировать силу взаимодействия можно и изменением геометрии плазмонной структуры. Эллиптические наностолбики с радиусами 75 и 15 нанометров в сравнении с круглыми точками радиусом 15 нанометров позволяют фотонам и электронам дольше взаимодействовать.

Помимо однофотонных процессов (поглощение или испускание), которые рассматривались для построения электронных спектров, при сильных взаимодействиях возникают и двухфотонные. Одно из таких явлений в электрон-плазмонной схеме — это дифракция, которая очень похожа на эффект Капицы-Дирака, когда электронный пучок дифрагирует на стоячей электромагнитной волне. Новая реалистичная модель взаимодействия света с веществом позволит не только продвинуться в понимании процессов этого взаимодействия, но и может быть полезна для расчета и моделирования новых устройств на основе плазмонов.

Нынешние работы говорят о переспективности плазмонных структур в разных областях. Например, их можно использовать для повышения КПД солнечных батарей, как это сделали американские физики. А швейцарские ученые создали перестраиваемый плазмонный лазер на квантовых точках.

Оксана Борзенкова