هنگامی که یک موج پلاسمون در یک فلز تحریک می شود، جابه جایی بارهای الکتریکی با تشکیل یک «میدان درونی» نوسان کننده قوی (پیکان قرمز) همراه است. این میدان درونی نوسان کننده به طور عکس العملی روی خود ماده عمل می کند تا خواص الکترونیکی آن را تغییر دهد، که به نوبه خود، مشخصه خودِ موج پلاسمونیک را تغییر می دهد. اعتبار: رودنر و سانگ.
 
در طول دهه گذشته، مطالعات فیزیکی بی شماری کاوش کرده اند که چگونه میدان های الکتریکی نوسان کننده تولید شده توسط لیزرها یا منابع مایکروویو می توانند مورد استفاده قرار گیرند تا به طور پویا خواص مواد مورد تقاضا را تغییر دهند. در یک تحقیق جدید که در مجله فیزیک طبیعت برجسته شده است، دو محقق در دانشگاه کپنهاگن و دانشگاه تکنولوژی نان یانگ (NTU) در سنگاپور، یافته های این مطالعه را گسترش داده اند، و مکانیزمی را کشف کرده اند که از طریق آن یک فلز تعامل کننده غیر مغناطیسی می تواند به صورت خود به خودی مغناطیسی شود.
 
مارک رودنر، یکی از محققانی که این مطالعه را انجام داد، به Phys.org گفت: "آزمایش های اخیر در نانو پلاسمونیک نشان داده است که زمانی که الکترون ها در سیستم های فلزی نانومقیاس به طور جمعی تحریک می شوند، در حقیقت، می توانند میدان های الکتریکی نوسان کننده بسیار شدیدی را تماماً روی خود تولید کنند"،. "با توجه به این مشاهدات، ما تصمیم گرفتیم کشف کنیم که چه پدیده های جدیدی می تواند رخ دهد هنگامی که این «میدان‌های درونی» در درون یک ماده فیدبک می شود تا خواص خود ماده را تغییر دهد."
 
میدان های درونی که رودنر اشاره می کند، میدان های الکتریکی نوسان کننده شدیدی هستند که از نوسان های بار در یک فلز، که به نام پلاسمون شناخته می شود، نشأت می گیرند. پلاسمون ها اغلب مورد استفاده قرار می گیرند برای محدود کردن نور به مقیاس های طولی بسیار زیر طول موج اصلی آن در یک مقیاس نانو، و همچنین هدایت انتشار آن از طریق دستگاه ها. رفتار دقیق یک پلاسمون (به عنوان مثال فرکانس آن در نوسانی که دارد، چیرالیتی آن، و غیره) به طور مستقیم وابسته است به خواص یک ماده مانند ساختار باند الکترونیکی آن.
 
جوستین سانگ، یکی دیگر از محققان شرکت کننده در این مطالعه، به Phys.org گفت: "به طور معمول، این ویژگی های مواد تصور می شود کمیت های ثابتی از ماده انتخاب شده باشند؛ برای به دست آوردن نوع دیگری از پلاسمون فرد به طور مرسوم لازم است از ماده ای دیگر استفاده کند." "ما تعجب می کردیم اگر راهی برای دور زدن این محدودیت وجود می داشت. و مهم است که اگر میدانهای درونی قوی یک پلاسمون می توانستند ساختار باند الکترونیکی یک ماده را تعدیل کنند و بدان وسیله خواص ماده را تغییر دهند، همچنین باعث تغییر شکل پلاسمون نیز می شدند، و با ایجاد یک حلقه بازخورد پلاسمون را قادر می ساختند انواع جدیدی از رفتار را اتخاذ کند."
 
هنگامی که آنها درک کردند که میدان های درونی نوسان کننده در یک ماده تحریک شده می تواند خواص الکترونیکی خود را تغییر دهد، رودنر و سانگ تصمیم گرفتند این مفهوم را در ساده ترین تنظیم ممکن نشان دهند. بنابراین، تصمیم گرفتند به مطالعه روی دیسک های گرافنی نانومقیاس، زیرا گرافن ماده است بود که به طور گسترده ای در دسترس و با کیفیت بالا است که ویژگی های مطلوب برای مشاهده این اثر را دارد. با استفاده از این تنظیم، آنها شرایطی را مطرح کردند که تحت آن، بازخورد از میدان های درونی حالت های تجمعی می تواند شروع کننده بی ثباتی‌ای به سمت مغناطش خود به خودی در سیستم باشد.
 
سانگ توضیح داد: "ما به لحاظ نظری تحلیل کردیم که چگونه پلاسمون ها در یک دیسک گرافنی تحت نوردهی قطبی شده دچار تغییر شکل تدریجی می شوند و متوجه شدیم که وقتی شدت نور کم بود، پلاسما باید در همان جهت قطبش نور نوسان می کرد." "با این حال، بالاتر از یک شدت بحرانی، تجزیه و تحلیل نظری ما نشان می داد که پلاسمون می تواند به طور خود به خودی انتخاب کند که بچرخد، و قاعده دستی را به دست آورد که در ابتدا نه در دیسک فلزی و نه در نور تابش شده وجود نداشته است. آنها شرایطی را مطرح کردند که تحت آن، بازخورد از میدان های درونی حالت های تجمعی می تواند شروع کننده بی ثباتی‌ای به سمت مغناطش خود به خودی در سیستم باشد به این ترتیب، پلاسمون ها یک "زندگی جداگانه" (به طور خود به خودی با انتخاب یک چیرالیتی) به دست می آورند متمایز از هر دو مربوط به  ماده ای که میزبان آن است (دیسک فلزی) و همچنین آن که مربوط به میدان نوری است که در حال هدایت آن است (تابش قطبی شده خطی)".
 
در تحقیق خود، رودنر و سانگ نشان دادند که حالت های تجمعی سیستم های هدایت شده گاهی اوقات می توانند "زندگی شخصی خود" را اتخاذ کنند و پدیده های خود به خودی تقارن شکن و منحصر به فردی را به نمایش گذارند که مستقل ازفاز تعادل متضمن هستند. گرچه محققان با استفاده از دیسک های گرافنی نانومقیاس توضیح دادند، این اصل در مواد دیگر نیز کاربرد دارد.
 
رودنر گفت: "مشاهدات کلیدی به هنگام انجام تجزیه و تحلیلمان این بود که از دیدگاه یک الکترون در درون ماده، یک میدان الکتریکی یک میدان الکتریکی است: مهم نیست که آیا این میدان نوسان کننده توسط یک لیزر تابش شده بر روی ماده از خارج تولید می شود (همانطور که قبلا مطالعه شده است)، و یا به صورت تجمعی توسط تمام الکترونهای دیگر در داخل خود ماده تولید می شود." "این دنیایی از امکانات جدید را باز می کند که در آن میدان های درونی ایجاد شده توسط تحریک های تجمعی در مواد ممکن است منجر به تنوعی از پدیده های جدید شوند."
 
همان طور که رودنر و سانگ توضیح می دهند، خواص حالت های تجمعی، مانند پلاسمون ها، به طور کلی به ماده میزبان خود قفل می شوند. جالب توجه اینجاست که اما مشاهدات آنها ثابت می کند که پلاسمون ها می توانند این "قفل شدگی" را به ماده میزبان خود تحریک کنند. به عبارت دیگر، مطالعات آنها نشان می دهد که پلاسمون ها می توانند مراحل مختلفی داشته باشند که متمایز از ماده متضمن میزبان آنهاست.
 
منبع: اینگرید فدلی، Phys.org