一對圓柱形的金奈米粒子，其中的等離子體激發態由奈米粒子周圍的雲表示

​一個科學家團隊解決了電子在圓柱形奈米顆粒中如何成群運動的長期難題。這項新研究為電磁學領域提供了意想不到的理論突破，為超材料研究提供了前景。來自埃克塞特大學和斯特拉斯堡大學的理論物理學家團隊創造了一個優雅的理論，解釋電子如何在圓柱形的微小金屬奈米顆粒中集體移動。

這項工作對光和物質在奈米尺度上的相互作用有了新的理解。金屬奈米顆粒有一個帶正電的離子核，周圍環繞著一團帶負電的電子。當光線照射在這樣的金屬物體上時，電子雲就會發生位移。這種位移導致整個電子群圍繞正電核振盪。來回晃動的這組電子錶現得像單個粒子（所謂的準粒子），稱為“等離子體”。

等離子體的主要特徵是它振盪的頻率，這被稱為等離子體共振頻率。探索等離子體共振頻率如何隨其載體奈米粒子的幾何形狀而變化是現代電磁學的一個基本任務。人們通常認為，只有某些特定的奈米粒子幾何形狀可以用解析理論來描述，也就是說，不需要耗費大量時間的數值計算。

人們普遍認為，允許進行分析描述的幾何圖形是非常少的，只由球形和橢球形奈米粒子組成。實驗中圓柱形奈米顆粒無處不在，從細長的針狀奈米線到薄的薄餅狀奈米盤，圓柱形奈米顆粒的長寬比各不相同。

在這項研究中，研究人員研究了圓柱形奈米顆粒中的等離子激元是如何振盪的。透過運用一種受到核物理啟發的理論技術，研究人員建立了一個優雅的分析理論，描述了等離子體激元在圓柱體中具有任意長徑比的行為。

該理論使得對圓柱形電漿子奈米粒子的完整描述成為可能，簡單地描述了金屬奈米粒子中從奈米線到圓形奈米盤的電漿子共振。這兩位凝聚態理論學家也考慮了一對耦合的圓柱形奈米粒子的等離子體響應，並發現了他們經典理論的量子力學修正。

埃克塞特大學物理與天文學系的查爾斯·唐寧博士解釋說：“出乎意料的是，我們的理論工作為柱狀奈米顆粒中的等離子體激發提供了深刻的分析性見解，這有助於指導我們的實驗同事在實驗室中製造金屬奈米棒。”

有一種趨勢是，為了描述等離子體系統，越來越多地依賴高負荷計算。在我們的回溯性研究中，我們揭示了簡單的紙筆計算仍然可以解釋超材料研究前沿的有趣現象。

這一理論上的突破對一批在等離子體前沿科學中研究奈米物體的科學傢俱有直接的效用。從長遠來看，隨著我們的技術變得越來越小型化，等離子體激發有望在下一代超小型化電路、太陽能轉換和資料儲存中得到開發。