Плазмон

Не путать с плазмароном . Чтобы узнать о марке сухого молочного печенья, см. Бисквит Plasmon .

В физике плазмон — это квант плазменных колебаний . 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 результатом квантования механических колебаний. Таким образом, плазмоны представляют собой коллективные (дискретное число) колебания плотности газа свободных электронов . Например, на оптических частотах плазмоны могут соединяться с фотоном , образуя еще одну квазичастицу, называемую плазмон- поляритон .

Область изучения и манипулирования плазмонами называется плазмоникой .

Вывод

Плазмон был первоначально предложен в 1952 году Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом. и было показано, что он возникает из гамильтониана дальних электрон-электронных корреляций.

Поскольку плазмоны представляют собой квантование классических плазменных колебаний, большинство их свойств можно вывести непосредственно из уравнений Максвелла .

Объяснение

Плазмоны можно описать в классической картине как колебания электронной плотности относительно фиксированных положительных ионов в металле . Чтобы визуализировать плазменные колебания, представьте себе металлический куб, помещенный во внешнее электрическое поле и направленный вправо. Электроны будут двигаться влево (открывая 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 незащищенными с правой стороны. Они колеблются взад и вперед на плазменной частоте , пока энергия не теряется из-за какого-либо сопротивления или затухания . Плазмоны представляют собой квантование такого рода колебаний.

Роль

Плазмоны играют огромную роль в оптических свойствах металлов и полупроводников. Частоты света ниже плазменной частоты отражаются экранируют материалом, поскольку электроны в материале электрическое поле света . Свет с частотами выше плазменной частоты передается материалом, поскольку электроны в материале не могут реагировать достаточно быстро, чтобы экранировать его. У большинства металлов плазменная частота находится в ультрафиолетовом диапазоне , что делает их блестящими (отражающими) в видимом диапазоне. Некоторые металлы, например медь и золото , имеют электронные межзонные переходы в видимом диапазоне, в результате чего определенные световые энергии (цвета) поглощаются, образуя их отчетливый цвет. В полупроводниках частота плазмона валентных электронов обычно находится в глубоком ультрафиолете, а их электронные межзонные переходы находятся в видимом диапазоне, в результате чего поглощаются определенные световые энергии (цвета), что приводит к их отчетливому цвету. вот почему они отражающие. Было показано, что плазмонная частота может возникать в средней инфракрасной и ближней инфракрасной области, когда полупроводники имеют форму наночастиц с сильным легированием.

Энергию плазмона часто можно оценить в модели свободных электронов как

$E_{\rm {p}}=$$\hbar$${\sqrt {\frac {ne^{2}}{m\epsilon _{0}}}}=$$\hbar$$\omega _{\rm {p}},$

где $n$ – плотность электронов проводимости , $e$ это элементарный заряд , $m$ — масса электрона , $\epsilon _{0}$ диэлектрическая проницаемость свободного пространства , $\hbar$ приведенная постоянная Планка и $\omega _{\rm {p}}$ плазмонная частота .

Поверхностные плазмоны

Основная статья: Поверхностный плазмон

Поверхностные плазмоны — это плазмоны, которые ограничены поверхностями и сильно взаимодействуют со светом, образуя поляритон . Они возникают на границе раздела материала, имеющего положительную действительную часть своей относительной диэлектрической проницаемости, т.е. диэлектрической проницаемости (например, вакуума, воздуха, стекла и других диэлектриков), и материала, действительная часть диэлектрической проницаемости которого отрицательна на данной частоте света, обычно металл или сильнолегированные полупроводники. Помимо противоположного знака 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 будет связан с поверхности (т.е. поверхностных плазмонов не существует), как показано в знаменитой книге Хайнца Ретера . На видимых длинах волн света, например, на длине волны 632,8 нм, обеспечиваемой He-Ne лазером, интерфейсы, поддерживающие поверхностные плазмоны, часто образуются металлами, такими как серебро или золото (отрицательная действительная диэлектрическая проницаемость), в контакте с диэлектриками, такими как воздух или диоксид кремния. Конкретный выбор материалов может существенно повлиять на степень удержания света и расстояние распространения из-за потерь. Поверхностные плазмоны могут также существовать на границах раздела, отличных от плоских поверхностей, таких как частицы, прямоугольные полосы, V-образные канавки, цилиндры и другие структуры. Многие структуры были исследованы благодаря способности поверхностных плазмонов удерживать свет ниже дифракционного предела света. Одной простой структурой, которая была исследована, была многослойная система меди и никеля. Младенович и др. сообщают об использовании мультислоев так, как будто это один плазмонный материал. Окисление слоев меди предотвращается добавлением слоев никеля. Использование меди в качестве плазмонного материала — простой путь интеграции плазмоники, поскольку она является наиболее распространенным выбором для металлического покрытия наряду с никелем. Многослойные слои служат дифракционной решеткой для падающего света. При использовании многослойной системы при нормальном падении можно достичь пропускания до 40 процентов в зависимости от соотношения толщины меди и никеля. Таким образом, использование уже популярных металлов в многослойной структуре оказывается решением проблемы плазмонной интеграции.

Поверхностные плазмоны могут играть роль, в рамановской спектроскопии с поверхностным усилением 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 можно использовать не только для измерения молекулярных взаимодействий, но также для измерения свойств нанослоев или структурных изменений в адсорбированных молекулах, полимерных слоях или, например, графене.

Поверхностные плазмоны также можно наблюдать в спектрах рентгеновского излучения металлов. Получено дисперсионное уравнение для поверхностных плазмонов в спектрах рентгеновского излучения металлов (Харш и Агарвал).

Готический витраж - роза собора Богоматери Парижской . Некоторые цвета были достигнуты за счет коллоидов наночастиц золота.

Совсем недавно поверхностные плазмоны стали использоваться для управления цветом материалов. Это возможно, поскольку контроль формы и размера частицы определяет типы поверхностных плазмонов, которые могут присоединяться к ней и распространяться по ней. Это, в свою очередь, контролирует взаимодействие света с поверхностью. Эти эффекты иллюстрируются историческими витражами , украшающими средневековые соборы. Некоторые цвета 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 для микроволнового излучения . Многие исследования проводятся в первую очередь в микроволновом диапазоне, поскольку на этой длине волны поверхности материалов и образцы могут быть изготовлены механически, поскольку размеры узоров обычно составляют порядка нескольких сантиметров. Создание поверхностных плазмонных эффектов оптического диапазона включает создание поверхностей с характеристиками <400 нм . Это гораздо сложнее, и лишь недавно стало возможным сделать это каким-либо надежным и доступным способом.

Недавно было также показано, что графен вмещает поверхностные плазмоны, что наблюдалось с помощью методов ближнепольной инфракрасной оптической микроскопии. и инфракрасная спектроскопия. Потенциальные применения графеновой плазмоники в основном касаются частот от терагерцового до среднего инфракрасного диапазона, таких как оптические модуляторы, фотодетекторы, биосенсоры.

Возможные применения

На положение и интенсивность пиков поглощения и испускания плазмонов влияет молекулярная адсорбция , которую можно использовать в молекулярных сенсорах . Например, был прототип полностью работоспособного устройства для обнаружения казеина в молоке, основанного на обнаружении изменения поглощения золотого слоя. Локализованные поверхностные плазмоны металлических наночастиц можно использовать для восприятия различных типов молекул, белков и т. д.

Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации на компьютерных чипах , поскольку плазмоны могут поддерживать гораздо более высокие частоты (в диапазоне 100 ТГц , тогда как обычные провода становятся очень потерями на десятках ГГц ). плазмонный усилитель, аналогичный транзистору , называемый плазмонтором . Однако для того, чтобы плазмонная электроника стала практичной, необходимо создать

Плазмоны также были предложены в качестве средства литографии и микроскопии высокого разрешения из-за их чрезвычайно малых длин волн; оба этих приложения прошли успешную демонстрацию в лабораторных условиях.

Наконец, поверхностные плазмоны обладают уникальной способностью ограничивать свет очень малыми размерами, что может открыть множество новых приложений.

Поверхностные плазмоны очень чувствительны к свойствам материалов, на которых они распространяются. Это привело к их использованию для измерения толщины монослоев на коллоидных пленках, например, для скрининга и количественной оценки белков событий связывания . Такие компании, как Biacore, имеют коммерциализированные инструменты, работающие на этих принципах. Оптические поверхностные плазмоны исследуются с целью улучшения макияжа компаниями L'Oréal и другими.

В 2009 году корейская исследовательская группа нашла способ значительно повысить эффективность органических светодиодов с помощью плазмонов.

Группа европейских исследователей во главе с IMEC начала работу по повышению эффективности и стоимости солнечных элементов за счет внедрения металлических наноструктур (с использованием плазмонных эффектов), которые могут улучшить поглощение света в различных типах солнечных элементов: кристаллический кремний (c-Si), высокий -Производительность III-V, органическая и чувствительная к красителям. Однако для оптимального функционирования плазмонных фотоэлектрических ультратонкие прозрачные проводящие оксиды . устройств необходимы Полноцветные голограммы с использованием плазмоники были продемонстрированы.

Плазмон-солитон

Плазмонсолитон математически относится к гибридному решению нелинейного амплитудного уравнения, например, для металл-нелинейной среды , рассматривающей как плазмонную моду, так и уединенное решение. С другой стороны, солиплазмонный резонанс рассматривается как квазичастица, сочетающая поверхностную плазмонную моду с пространственным солитоном какрезультате резонансного взаимодействия. Для достижения одномерного уединенного распространения в плазмонном волноводе, в то время как поверхностные плазмоны должны быть локализованы на границе раздела, латеральное распределение огибающей поля также должно оставаться неизменным.

Волновод на основе графена является подходящей платформой для поддержки гибридных плазмон-солитонов благодаря большой эффективной площади и огромной нелинейности. Например, распространение уединенных волн в графен-диэлектрической гетероструктуре может проявляться в виде солитонов более высокого порядка или дискретных солитонов, возникающих в результате конкуренции между дифракцией и нелинейностью.

См. также

• Поверхностный плазмонный резонанс
• Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс
• Волны в плазме
• Плазменные колебания
• Спинплазмоника
• Трансформационная оптика
• Необыкновенная оптическая передача
• Фонон
• Графеновая плазмоника
• Демон Пайнса

Ссылки

• Стефан Майер (2007). Плазмоника: основы и приложения . Спрингер. ISBN  978-0-387-33150-8 .
• Майкл Г. Коттам и Дэвид Р. Тилли (1989). Введение в поверхностные и сверхрешеточные возбуждения . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-32154-9 .
• Хайнц Ретер (1980). Возбуждение плазмонов и межзонные переходы электронами . Спрингер-Верлаг. ISBN  978-0-387-09677-3 .
• Барнс, WL; Дере, А.; Эббесен, Томас В. (2003). «Субволновая оптика поверхностных плазмонов». Природа . 424 (6950): 824–830. Бибкод : 2003Natur.424..824B . дои : 10.1038/nature01937 . ПМИД   12917696 . S2CID   116017 .
• Заяц Анатолий Владимирович; Смольянинов Игорь Иванович; Марадудин, Алексей А. (2005). «Нанооптика поверхностных плазмонных поляритонов». Отчеты по физике . 408 (3–4): 131–314. Бибкод : 2005PhR...408..131Z . дои : 10.1016/j.physrep.2004.11.001 .
• Этуотер, Гарри А. (2007). «Обещание плазмоники». Научный американец . 296 (4): 56–63. Бибкод : 2007SciAm.296d..56A . doi : 10.1038/scientificamerican0407-56 . ПМИД   17479631 .
• Озбай, Экмель (2006). «Плазмоника: объединение фотоники и электроники в наномасштабах» (PDF) . Наука . 311 (5758): 189–193. Бибкод : 2006Sci...311..189O . дои : 10.1126/science.1114849 . hdl : 11693/38263 . ПМИД   16410515 . S2CID   2107839 .
• Шуллер, Джон; Барнард, Эдвард; Цай, Вэньшань; Джун, Ён Чул; и др. (2010). «Плазмоника для экстремальной концентрации света и управления им». Природные материалы . 9 (3): 193–204. Бибкод : 2010NatMa...9..193S . дои : 10.1038/nmat2630 . ПМИД   20168343 . S2CID   15233379 .
• Бронгерсма, Марк; Шалаев, Владимир (2010). «Дело в пользу плазмоники». Наука . 328 (5977): 440–441. Бибкод : 2010Sci...328..440B . дои : 10.1126/science.1186905 . ПМИД   20413483 . S2CID   206525334 .

Внешние ссылки

• Активная плазмоника
• Реактивная плазмоника
• Плазмонные компьютерные чипы приближаются