...Er plasmonerne nu alligevel kvantemekaniske?

For nylig skrev jeg om nye resultater fra mine kolleger i gruppen for Strukturerede Elektromagnetiske Materialer på DTU Fotonik, hvor de foreslog en ny teori for plasmoner i metalliske nanostrukturer baseret på ikke-lokal respons - resultater som for få uger siden udkom i det prestigefyldte tidsskrift Nature Communications.

Væsentligt foreslår denne teori, at plasmoner, med mindre korrektioner, kan behandles klassisk med elektrodynamik, og at de således ikke fordrer en kvantemekanisk beskrivelse. Dette står i kontrast til andre bud, hvor kvantemekaniske effekter såsom elektrontunnelering introduceres for at forklare eksperimentelle observationer. Som beskrevet i indlægget om den nye teori er sådanne tunneleringsstrømme dog ikke målt, hvilket derfor gør det uklart, om der er behov for en kvantemekanisk beskrivelse af de metalliske nanostrukturer.

Til konferencen META'14 i Singapore har jeg dog netop hørt en præsentation med titlen "Tunable plasmon tunneling", hvori forskere præsenterede resultater, som skulle dokumentere, at de såkaldte charge transfer plasmons - som ville være en signatur af elektrontunnelering - er observeret eksperimentelt.

I dette arbejde - som er publiceret i Science tidligere i år (og beskrevet kort her) - fabrikeres såkaldte molekylære tunneljunktions, bestående af nanostørrelse metalpartikler, der forbindes med molekyler. Brugen af en molekylær forbindelse motiveres således i artiklen:

"Unlike past works that investigated tunneling through a vacuum (12), we placed molecules in the gap because tunneling rates across molecules depend on the molecular structure and are much higher than across a vacuum."

Jeg har endnu ikke nået at læse hele artiklen, men konklusionen er ifølge forfatterne klar:

"By combining atomic-resolution imaging, single-particle spectroscopy, and monolayer molecular control, we have demonstrated quantum-mechanical electron tunneling at optical frequencies between plasmon resonators."

Så er plasmonerne i nanostørrelse metalstrukturer nu alligevel kvantemekaniske? Måske, og det sidste ord er formentlig ikke sagt i denne sag.

Præcisering (23/5-14): Som mine kolleger på DTU Fotonik har gjort mig opmærksom på, er der ikke nogen modsætning mellem resultaterne i deres arbejde og arbejdet udgivet i Science, som er beskrevet i dette blogindlæg: Teorien fra mine kolleger omhandler nanoplasmoniske dimers (to kugler), som er adskilt af luft, mens kuglerne fra resultaterne beskrevet i dette indlæg forbindes med molekyler. Det er fortsat ikke - heller ikke i arbejdet fra Science-artiklen - dokumenteret eksperimentelt, at elektronerne kan tunnelere mellem nanopartiklerne igennem luft, hvorfor teorien fra mine kolleger fortsat ikke er falsificeret. Det er dog i Science-artiklen dokumenteret, at elektroner - når tunneleringsbarrieren ved introduktionen af molekyler sænkes - kan tunnelere imellem partiklerne, og dette er en kvantemekanisk effekt.