Вчена-фізик запропонувала нову модель для опису взаємодії світла з речовиною і розрахувала за допомогою неї явища, які не могла описати попередня модель. Вона показала вплив сильного і слабкого електрон-фотонного зв'язку, передбачила, як цей зв'язок можна контролювати, і змогла поспостерігати дифракцію електронів в системі. Робота опублікована в.
У дослідженнях взаємодії світла з речовиною не останню роль відіграють плазмонні структури. Найчастіше це метали або напівпровідники. При опроміненні металу світлом більшість фотонів відбивається від поверхні (тому метали виглядають такими блискучими), але є й такі, які проникають всередину і викликають коливання вільних електронів - плазмові коливання. В останньому випадку фотони повинні мати частоту, що збігається з частотою енергетичного переходу металу, який найчастіше лежить в ультрафіолетовій області.
Однак у золота і міді є переходи між рівнями, які лежать у видимому діапазоні, тому їх найчастіше використовують для досліджень. Розрізняють об'ємні, поверхневі (обурення поширюється по поверхні матеріалу) і локалізовані плазмони. Останній тип реалізується на золотих або мідних наноструктурах, навколо яких локалізується підсилює електромагнітне поле. Детальніше про плазмонів ви можете прочитати в нашому матеріалі «Квантова абетка».
Слабка взаємодія електронів і фотонів (не плутати з фундаментальними взаємодіями) зручно для дослідження колективних збуджень, наприклад, плазмонів і призводить до великої кількості процесів поглинання і випускання. Тому типовий спектр слабкої взаємодії складається з безлічі резонансів і являє собою частотну гребінку з інтенсивним центральним піком і вбиваючими в міру видалення від центру бічними.
Сильна взаємодія призводить до того, що енергія центрального піку в спектрі розповзається і в системі виникають пружність і неспруга взаємодії високих порядків. Крім цього, він може призводити до заплутування фотона з електроном, а за певних умов сила зв'язку між ними може істотно зростати, що дозволяє спостерігати нові явища. І якщо експериментально їх вже спостерігали, то існуюча теорія адіабатичного наближення не враховує роль дифракції та електронної віддачі (відхилення електрону після взаємодії з фотоном).
Нахід Талебі (Nahid Talebi) з Кільського університету досліджувала взаємодії повільних і швидких електронів з плазмонними збудженнями в ближньому полі. Вона розробила на основі комбінації рівнянь Максвелла і Шредінгера для слабопов'язаного гамільтоніана модель, яка, на відміну від адіабатичної апроксимації, підходить для моделювання упругих і неспругих взаємодій, контролю сильних і слабких взаємодій, дифракції і аттосекундного угруповання.
У роботі автор моделювала динаміку взаємодії електронного хвильового пакету з локалізованими плазмонами за різних умов. Виявилося, що збільшення амплітуди лазерного сигналу робить взаємодію фотонів з електронами сильнішою. Контролювати силу взаємодії можна і зміною геометрії плазмонної структури. Еліптичні наностолбіки з радіусами 75 і 15 нанометрів порівняно з круглими точками радіусом 15 нанометрів дозволяють фотонам і електронам довше взаємодіяти.
Крім однофотонних процесів (поглинання або випускання), які розглядалися для побудови електронних спектрів, при сильних взаємодіях виникають і двофотонні. Одне з таких явищ в електрон-плазмонній схемі - це дифракція, яка дуже схожа на ефект Капіци-Дірака, коли електронний пучок дифрагує на стоячій електромагнітній хвилі. Нова реалістична модель взаємодії світла з речовиною дозволить не тільки просунутися в розумінні процесів цієї взаємодії, але і може бути корисна для розрахунку і моделювання нових пристроїв на основі плазмонів.
Нинішні роботи говорять про переспективність плазмонних структур у різних областях. Наприклад, їх можна використовувати для підвищення ККД сонячних батарей, як це зробили американські фізики. А швейцарські вчені створили перебудовуваний плазмонний лазер на квантових точках.