論文の概要: Parameter-free quantum hydrodynamic theory for plasmonics: Electron
density-dependent damping rate and diffusion coefficient
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2201.03426v3
- Date: Thu, 20 Jan 2022 11:33:38 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-02 03:20:39.167615
- Title: Parameter-free quantum hydrodynamic theory for plasmonics: Electron
density-dependent damping rate and diffusion coefficient
- Title（参考訳）: プラズモンのパラメータフリー量子力学理論:電子密度依存減衰率と拡散係数
- Authors: Qi-Hong Hu, Ren-Feng Liu, Xin-Yu Shan, Xuan-Ren Chen, Hong Yang, Peng
Kong, Xiao-Yun Wang, Ke Deng, Xiangyang Peng, Dong Xian, Yong-Gang Huang
- Abstract要約: ナノスケールの特徴を有する金属構造物の光学応答を高精度かつ効率的に計算する方法が重要である。
量子力学理論(QHT)は、非局所性や流出の量子効果を考慮に入れた自由電子気体の効率的な説明を提供する。
表面プラズモンの実用化において重要な問題である拡張性を考慮した拡散を含む一般QHTを導入する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 10.837420913670723
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Plasmonics is a rapid growing field, which has enabled both fundamental
science and inventions of various quantum optoelectronic devices. An accurate
and efficient method to calculate the optical response of metallic structures
with feature size in the nanoscale plays an important role. Quantum
hydrodynamic theory (QHT) provides an efficient description of the
free-electron gas, where quantum effects of nonlocality and spill-out are taken
into account. In this work, we introduce a general QHT that includes diffusion
to account for the broadening, which is a key problem in practical applications
of surface plasmon. We will introduce a density-dependent diffusion coefficient
to give very accurate linewidth. It is a self-consistent method, in which both
the ground and excited states are solved by using the same energy functional,
with the kinetic energy described by the Thomas-Fermi and von Weizs\"{a}cker
(vW) formalisms. In addition, our QHT method is stable by introduction of an
electron density-dependent damping rate. For sodium nanosphere of various
sizes, the plasmon energy and broadening by our QHT method are in excellent
agreement with those by density functional theory and Kreibig formula. By
applying our QHT method to sodium jellium nanorods, we clearly show that our
method enables a parameter-free simulation, i.e. without resorting to any
empirical parameter, such as size-dependent damping rate and diffusing
coefficient. It is found that there exists a perfect linear relation between
the resonance wavelength and aspect radio. The width decreases with increasing
aspect ratio and height. The calculations show that our QHT method provides an
explicit and unified way to account for size-dependent frequency shifts and
broadening of arbitrarily shaped geometries. It is reliable and robust with
great predicability, and hence provides a general and efficient platform to
study plasmonics.
- Abstract（参考訳）: プラズモニックは急速に成長する分野であり、様々な量子光電子デバイスの基礎科学と発明の両方を可能にしている。
ナノスケールの特徴量を有する金属構造の光学的応答を精度良く効率的に計算する手法が重要な役割を果たす。
量子力学理論(QHT)は、非局所性や流出の量子効果を考慮した自由電子気体の効率的な説明を提供する。
本研究では,表面プラズモンの実用化において重要な問題である拡張性を考慮した拡散を含む一般QHTを提案する。
非常に正確な直線幅を与えるために密度依存拡散係数を導入する。
基底状態と励起状態の両方を同じエネルギー関数を用いて解き、トーマス=フェルミとフォン・ヴァイツの「{a}cker (vW) の定式化によって記述される運動エネルギーを用いる自己整合法である。
また, 電子密度依存性減衰率の導入により, QHT法は安定である。
種々の大きさのナトリウムナノスフィアでは, プラズモンエネルギーとQHT法による拡張は密度汎関数理論やKreibig式とよく一致している。
このqht法をジェリウムナノロッドナトリウムに適用することにより, 粒子径依存性減衰率や拡散係数など, 任意の実験パラメータに頼らずにパラメータフリーシミュレーションが可能となることを明らかにした。
共鳴波長とアスペクト無線の間には完全な線形関係が存在することが判明した。
幅はアスペクト比と高さの増加とともに減少する。
計算の結果,我々のQHT法は,大きさに依存した周波数シフトと任意形状のジオメトリの拡張を考慮した明示的かつ統一的な手法を提供することがわかった。
高い予測性を持つ信頼性と堅牢性があり、プラズモニクスを研究するための汎用的で効率的なプラットフォームを提供する。
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