A nemesfém nanorészecskék különleges optikai tulajdonságai számos modern technológia alapját képezik, az érzékelőktől a nanofotonikai eszközökig. Ezek a tulajdonságok nagyrészt az úgynevezett lokalizált felületi plazmon rezonanciához (LSPR) kapcsolódnak: amikor a fény kölcsönhatásba lép egy nanorészecskével, az elektronok kollektív rezgésbe jönnek, ami jellegzetes optikai válaszhoz vezet. Az LSPR hullámhossza például érzékenyen függ a részecskék méretétől, alakjától és összetételétől, valamint a környezettől is. A jelenség pontos megértéséhez és szabályozásához a kutatók gyakran számítógépes szimulációkat használnak. Ezekben a modellekben azonban kulcsszerepet játszik az adott anyag optikai tulajdonságait leíró úgynevezett dielektromos függvény. Az irodalomban több különböző adatbázis és modell is elérhető aranyra, ezüstre és ezek ötvözeteire, amelyek azonban eltérhetnek egymástól. Egy friss kutatásban az Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, a szegedi ELI ALPS és a svédországi Lundi Egyetem munkatársai azt vizsgálták, hogy ezek az eltérések milyen mértékben befolyásolják a szimulált LSPR hullámhosszt arany-ezüst ötvözet nanorészecskék esetén. A kutatók Mie-elméleten alapuló numerikus szimulációkat végeztek több széles körben használt dielektromos adatbázis felhasználásával, majd az eredményeket összehasonlították kísérleti mérésekkel. Kiemelendő, hogy a kapcsolódó tanulmány – amely a Materials Today Communications szaklapban jelent meg – első szerzője Magyar Zsófia, az SZTE Báthory István Gyakorló Gimnázium és Általános Iskola volt diákja, aki a kutatás idején a Fizikai Intézetben folytatott tudományos diákköri munkát.

A szimulációs eredményeket alátámasztó kísérletekhez szükséges jól definiált méretű, alakú és összetételű arany-ezüst nanorészecskéket ún. szikra ablációs módszerrel állították elő. Ebben az eljárásban két fém elektród között létrejövő szikrakisülések hatására nanoméretű részecskék keletkeznek, amelyek összetétele és mérete jól szabályozható. Az így létrehozott mintákon optikai mérésekkel határozták meg a plazmon rezonancia tényleges hullámhosszát.

Az összehasonlítás azt mutatta, hogy a különböző dielektromos modellek használata akár jelentős eltéréseket is okozhat a szimulációk eredményében – még tiszta arany vagy ezüst részecskék esetén is. A jó minőségű kísérleti adatok lehetővé tették, hogy a vizsgált elméleti modellek közül kiválasszák azt, amely a mérésekkel nagyon jól egyező szimulációs eredményekre vezetett. A kutatás egyik fontos tanulsága, hogy a nanoplazmonikai szimulációk megbízhatósága nagymértékben függ attól, milyen optikai anyag-paramétereket használunk a számítások során. Az eredmények segíthetnek abban, hogy a jövőben a kutatók tudatosabban válasszanak dielektromos modelleket, ezáltal pontosabb szimulációkat készíthessenek. A tanulmány így hozzájárul ahhoz, hogy a plazmonikus nanorendszerek modellezése és az ezeken alapuló eszközök tervezése megbízhatóbbá váljon.

Örömmel támogatjuk a fiatal tehetségek kibontakozását már a középiskolás évek alatt, ezért az intézetünkben folyó számos kutatási projektbe biztosítunk számukra bekapcsolódási lehetőséget. A választható témák itt találhatók: https://www.physx.u-szeged.hu/fizika-intezet/kozepiskolaknak/kutatasi-temak

A borítóképen: Arany-ezüst ötvözet nanogömbök optikai válaszának szimulációja és kísérleti vizsgálata.