最近，物理学家解决了电磁学中的几何难题，超材料领域的理论突破

• 一对圆柱形的金纳米粒子，其中的等离子体激发态由纳米粒子周围的云表示

一个科学家团队解决了电子在圆柱形纳米颗粒中如何成群运动的长期难题。这项新研究为电磁学领域提供了意想不到的理论突破，为超材料研究提供了前景。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，解释电子如何在圆柱形的微小金属纳米颗粒中集体移动。

这项工作对光和物质在纳米尺度上的相互作用有了新的理解。金属纳米颗粒有一个带正电的离子核，周围环绕着一团带负电的电子。当光线照射在这样的金属物体上时，电子云就会发生位移。这种位移导致整个电子群围绕正电核振荡。来回晃动的这组电子表现得像单个粒子（所谓的准粒子），称为“等离子体”。

等离子体的主要特征是它振荡的频率，这被称为等离子体共振频率。探索等离子体共振频率如何随其载体纳米粒子的几何形状而变化是现代电磁学的一个基本任务。人们通常认为，只有某些特定的纳米粒子几何形状可以用解析理论来描述，也就是说，不需要耗费大量时间的数值计算。

人们普遍认为，允许进行分析描述的几何图形是非常少的，只由球形和椭球形纳米粒子组成。实验中圆柱形纳米颗粒无处不在，从细长的针状纳米线到薄的薄饼状纳米盘，圆柱形纳米颗粒的长宽比各不相同。

在这项研究中，研究人员研究了圆柱形纳米颗粒中的等离子激元是如何振荡的。通过运用一种受到核物理启发的理论技术，研究人员建立了一个优雅的分析理论，描述了等离子体激元在圆柱体中具有任意长径比的行为。

该理论使得对圆柱形电浆子纳米粒子的完整描述成为可能，简单地描述了金属纳米粒子中从纳米线到圆形纳米盘的电浆子共振。这两位凝聚态理论学家也考虑了一对耦合的圆柱形纳米粒子的等离子体响应，并发现了他们经典理论的量子力学修正。

埃克塞特大学物理与天文学系的查尔斯·唐宁博士解释说：“出乎意料的是，我们的理论工作为柱状纳米颗粒中的等离子体激发提供了深刻的分析性见解，这有助于指导我们的实验同事在实验室中制造金属纳米棒。”

有一种趋势是，为了描述等离子体系统，越来越多地依赖高负荷计算。在我们的回溯性研究中，我们揭示了简单的纸笔计算仍然可以解释超材料研究前沿的有趣现象。

这一理论上的突破对一批在等离子体前沿科学中研究纳米物体的科学家具有直接的效用。从长远来看，随着我们的技术变得越来越小型化，等离子体激发有望在下一代超小型化电路、太阳能转换和数据存储中得到开发。