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，解释了电子如何在形状像圆柱体的微小金属纳米粒子中集体移动。

这项工作使人们对光和物质如何在纳米尺度上相互作用有了新的理解，这对利用具有壮观光学特性的基于纳米粒子的超材料的未来纳米器件的实现具有重要意义。

金属纳米粒子有一个带正电的离子核，一团带负电的电子围绕着它旋转。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组围绕正极核心振荡。来回晃动的电子群就像一个单一的粒子(所谓的准粒子)，被称为“等离子体”。

等离子体的主要特征在于其振荡的频率，这被称为等离子体共振频率。

探索等离子体的共振频率如何根据其宿主纳米粒子的几何形状而变化是现代电磁学的一项基本任务。人们普遍认为，只有一些特定的纳米粒子几何形状可以用分析理论来描述——也就是说，无需求助于繁重、耗时的数值计算。

允许进行分析描述的几何结构列表被广泛认为非常短，仅由球形和椭圆形纳米粒子组成。

由于圆柱形纳米粒子的实验无处不在，这一事实非常不方便，这些纳米粒子以各种纵横比出现，从长的针状纳米线到薄的煎饼状纳米盘。

在研究中，研究人员解决了圆柱形纳米粒子中的等离子体如何振荡。通过使用受核物理学启发的理论技术，研究人员建立了一个优雅的分析理论，描述了具有任意纵横比的圆柱体中等离子体激元的行为。

该理论已经实现了对圆柱形等离子体纳米粒子的完整描述，简单地描述了从纳米线到圆形纳米盘的金属纳米粒子中的等离子体共振。

这两位凝聚态理论家还考虑了一对耦合的圆柱形纳米粒子的等离子体响应，并发现了对其经典理论的量子力学修正，这与纳米粒子的小纳米尺寸有关。

埃克塞特大学物理与天文学系的 Charles Downing 博士解释说：“出乎意料的是，我们的理论工作提供了对圆柱形纳米粒子中等离子体激发的深入分析洞察，这有助于指导我们的实验同事在他们的实验室中制造金属纳米棒。”

斯特拉斯堡大学的 Guillaume Weick 补充道：“为了描述等离子体系统，越来越依赖重载计算是一种趋势。在我们的回归工作中，我们发现简陋的纸笔计算仍然可以解释最前沿的有趣现象超材料研究。”

这一理论突破对在等离子体学前沿科学中研究纳米物体的众多科学家具有直接效用。从长远来看，随着我们的技术变得越来越小型化，希望在下一代超紧凑电路、太阳能转换和数据存储中可以利用等离子体激发。

圆柱形纳米粒子和二聚体中的等离子体模式发表在英国皇家学会会刊 A 中。