Войти
В физике плазмон - это квант из плазменное колебание. Подобно тому, как свет (оптическое колебание) состоит из фотонов, плазменное колебание состоит из плазмонов. Плазмон можно рассматривать как квазичастицу, поскольку он возникает в результате квантования плазменных колебаний, точно так же, как фононы являются квантованием механических колебаний. Таким образом, плазмоны представляют собой коллективные (дискретное число) колебания плотности свободного электронного газа. Например, на оптических частотах плазмоны могут соединяться с фотоном для создания другой квазичастицы, называемой плазмон поляритон.
Плазмон был первоначально предложен в 1952 году Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом и, как было показано, возникает из гамильтониана для дальнодействующих электрон-электронные корреляции.
Поскольку плазмоны представляют собой квантование классических плазменных колебаний, большинство их свойств могут быть получены непосредственно из уравнений Максвелла.
Плазмоны можно описать в классическая картина как колебание электронной плотности по отношению к фиксированным положительным ионам в металле. Чтобы визуализировать плазменные колебания, представьте себе металлический куб, помещенный во внешнее электрическое поле, указывающее вправо. Электроны будут двигаться влево (обнажая положительные ионы с правой стороны), пока не нейтрализуют поле внутри металла. Если электрическое поле убрать, электроны движутся вправо, отталкиваясь друг от друга и притягиваясь к положительным ионам, оставшимся обнаженными с правой стороны. Они колеблются вперед и назад с плазменной частотой, пока энергия не будет потеряна в некотором виде сопротивления или демпфирования. Плазмоны - это квантование этого вида колебаний.
Плазмоны играют большую роль в оптических свойствах металлов и полупроводников. Частоты света ниже плазменной частоты отражаются материалом, потому что электроны в материале экранируют электрическое поле света. Свет с частотами выше плазменной частоты передается материалом, потому что электроны в материале не могут реагировать достаточно быстро, чтобы экранировать его. У большинства металлов плазменная частота находится в ультрафиолете, что делает их блестящими (отражающими) в видимом диапазоне. Некоторые металлы, такие как медь и золото, имеют электронные межзонные переходы в видимом диапазоне, в результате чего поглощаются определенные энергии света (цвета), давая их отчетливый цвет. В полупроводниках частота плазмона валентных электронов обычно находится в глубоком ультрафиолете, в то время как их электронные межзонные переходы находятся в видимом диапазоне, в результате чего поглощаются определенные энергии света (цвета), давая их отчетливый цвет, поэтому они светоотражающие. Было показано, что частота плазмонов может возникать в средней инфракрасной и ближней инфракрасной областях, когда полупроводники находятся в форме наночастиц с сильным легированием.
Энергия плазмона часто может быть оценена в модель свободных электронов как
где 
Поверхностные плазмоны - это плазмоны, которые ограничены поверхностями и сильно взаимодействуют со светом, в результате образуется поляритон . Они возникают на границе раздела материала, имеющего положительную действительную часть их относительной диэлектрической проницаемости, то есть диэлектрической проницаемости (например, вакуум, воздух, стекло и другие диэлектрики), и материала, реальная часть диэлектрической проницаемости которого отрицательна на заданная частота света, обычно металл или сильно легированные полупроводники. В дополнение к противоположному знаку действительной части диэлектрической проницаемости, величина реальной части диэлектрической проницаемости в области отрицательной диэлектрической проницаемости обычно должна быть больше, чем величина диэлектрической проницаемости в области положительной диэлектрической проницаемости, в противном случае свет не привязан к поверхность (т.е. поверхностные плазмоны не существуют), как показано в знаменитой книге Хайнца Ретера. При видимых длинах волн света, например Длина волны 632,8 нм, обеспечиваемая гелий-неоновым лазером, интерфейсы, поддерживающие поверхностные плазмоны, часто образованы металлами, такими как серебро или золото (отрицательная действительная диэлектрическая проницаемость), которые контактируют с диэлектриками, такими как воздух или диоксид кремния. Конкретный выбор материалов может сильно повлиять на степень удержания света и расстояние распространения из-за потерь. Поверхностные плазмоны также могут существовать на интерфейсах, отличных от плоских поверхностей, таких как частицы или прямоугольные полосы, v-образные канавки, цилиндры и другие структуры. Многие структуры были исследованы благодаря способности поверхностных плазмонов удерживать свет ниже дифракционного предела. Одна простая структура, которая была исследована, представляла собой многослойную систему меди и никеля. Mladenovic et al. Сообщите об использовании многослойных материалов, как если бы это был один плазмонный материал. Оксид меди предотвращается добавлением слоев никеля. Это простой путь интеграции плазмоники для использования меди в качестве плазмонного материала, потому что это наиболее распространенный выбор для металлического покрытия наряду с никелем. Многослойные слои служат дифракционной решеткой для падающего света. При нормальном падении с многослойной системой может быть достигнуто до 40% пропускания в зависимости от соотношения толщины меди и никеля. Таким образом, использование уже популярных металлов в многослойной структуре оказалось решением для плазмонной интеграции.
Поверхностные плазмоны могут играть роль в рамановской спектроскопии с усилением поверхности и в объяснении аномалий дифракции на металлических решетках (аномалия Вуда ), среди прочего. Поверхностный плазмонный резонанс используется биохимиками для изучения механизмов и кинетики связывания лигандов с рецепторами (т.е. связывания субстрата с ферментом ). Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс может использоваться не только для измерения молекулярных взаимодействий, но также для измерения свойств нанослоев или структурных изменений в адсорбированных молекулах, слоях полимера или, например, графена.
Поверхностные плазмоны также могут наблюдаться в спектрах рентгеновского излучения металлов. Было получено дисперсионное соотношение для поверхностных плазмонов в спектрах рентгеновского излучения металлов (Харш и Агарвал).
Готика витраж розовое окно из Нотр-Дам де Пари. Некоторые цвета были достигнуты с помощью коллоидов наночастиц золота. В последнее время поверхностные плазмоны стали использовать для управления цветом материалов. Это возможно, поскольку контроль формы и размера частицы определяет типы поверхностных плазмонов, которые могут взаимодействовать с ней и распространяться по ней. Это, в свою очередь, контролирует взаимодействие света с поверхностью. Эти эффекты иллюстрируются историческими витражами, которые украшают средневековые соборы. Некоторые цвета цветных витражей создаются металлическими наночастицами фиксированного размера, которые взаимодействуют с оптическим полем, придавая стеклу яркий красный цвет. В современной науке эти эффекты были разработаны как для видимого света, так и микроволнового излучения. Многие исследования сначала ведутся в микроволновом диапазоне, потому что на этой длине волны поверхности материалов и образцы могут быть получены механическим способом, поскольку рисунки обычно имеют размер порядка нескольких сантиметров. Создание поверхностных плазмонных эффектов оптического диапазона включает создание поверхностей с характеристиками <400 нм. Это намного сложнее, и только недавно стало возможно сделать это надежным и доступным способом.
Недавно было показано, что графен вмещает поверхностные плазмоны, наблюдаемые с помощью методов ближнепольной инфракрасной оптической микроскопии и инфракрасной спектроскопии. Потенциальные применения графеновой плазмоники в основном касались частот от терагерцового до среднего инфракрасного диапазона, например, в оптических модуляторах, фотодетекторах, биосенсорах.
На положение и интенсивность пиков поглощения и излучения плазмонов влияют молекулярные адсорбция, которая может использоваться в молекулярных сенсорах. Например, прототип полностью работоспособного устройства, определяющего казеин в молоке, основан на обнаружении изменения в абсорбции слоя золота. Локализованные поверхностные плазмоны металлических наночастиц можно использовать для восприятия различных типов молекул, белков и т. Д.
Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации на компьютерные чипы, поскольку плазмоны могут поддерживать гораздо более высокие частоты (в диапазоне 100 ТГц, в то время как обычные провода сильно теряют в десятках ГГц ). Однако для практической реализации электроники на основе плазмонов необходимо создать усилитель на основе плазмонов, аналогичный транзистору, называемый a.
Также были предложены плазмоны в качестве средства литографии и микроскопии с высоким разрешением из-за их чрезвычайно малых длин волн; оба этих приложения были успешно продемонстрированы в лабораторных условиях.
Наконец, поверхностные плазмоны обладают уникальной способностью ограничивать свет очень маленькими размерами, что может открыть множество новых приложений.
Поверхностные плазмоны очень чувствительны к свойствам материалов, по которым они распространяются. Это привело к их использованию для измерения толщины монослоев на коллоидных пленках, таких как скрининг и количественная оценка событий связывания белка. Такие компании, как Biacore, продают инструменты, работающие на этих принципах. L'Oréal и другие исследуют оптические поверхностные плазмоны с целью улучшения макияжа.
В 2009 году корейская группа исследователей нашла способ значительно улучшить органический свет - эффективность излучающего диода с использованием плазмонов.
Группа европейских исследователей под руководством IMEC начала работу по повышению эффективности и стоимости солнечных элементов за счет внедрения металлических наноструктур (с использованием плазмонных эффектов), которые могут увеличивать поглощение света различными типами солнечных элементов: кристаллический кремний (c-Si), высокоэффективные III-V, органические и сенсибилизированные красителями. Однако для оптимального функционирования плазмонных фотоэлектрических устройств необходимы ультратонкие прозрачные проводящие оксиды. Продемонстрированы полноцветные голограммы с использованием плазмоники.
Плазмон - Солитон математически относится к гибридному решению нелинейного уравнения амплитуды, например для металл-нелинейной среды с учетом как плазмонной моды, так и уединенного решения. С другой стороны, солиплазмонный резонанс рассматривается как квазичастица, сочетающая моду поверхностного плазмона с пространственным солитоном в результате резонансного взаимодействия. Для достижения одномерного одномерного распространения в плазмонном волноводе , в то время как поверхностные плазмоны должны быть локализованы на границе раздела, поперечное распределение огибающей поля также должно быть неизменным.. Волновод на основе графена является подходящей платформой для поддержки гибридных плазмонных солитонов из-за большой эффективной площади и огромной нелинейности. Например, распространение уединенных волн в гетероструктуре графен-диэлектрик может проявляться в форме солитонов более высокого порядка или дискретных солитонов, возникающих в результате конкуренции между дифракцией и нелинейностью.
