Поверхностные плазмоны ( ПП ) представляют собой когерентные делокализованные электронные колебания, которые существуют на границе раздела между любыми двумя материалами, где действительная часть диэлектрической функции меняет знак на границе раздела (например, граница раздела металл-диэлектрик, такая как металлический лист в воздухе). ПП имеют более низкую энергию, чем объемные (или плазмоны ) объемного типа , которые квантуют продольные электронные колебания вокруг положительных ионных ядер внутри объема электронного газа (или плазмы).
Движение заряда в поверхностном плазмоне всегда создает электромагнитные поля снаружи (а также внутри) металла. Полное возбуждение, включающее как движение заряда, так и связанное с ним электромагнитное поле, называется либо поверхностным плазмонным поляритоном на плоском интерфейсе, либо локализованным поверхностным плазмоном для замкнутой поверхности малой частицы.
Существование поверхностных плазмонов было впервые предсказано в 1957 году Руфусом Ричи. [1] В последующие два десятилетия поверхностные плазмоны широко изучались многими учеными, наиболее выдающимися из которых были Т. Турбадар в 1950-х и 1960-х годах, а также Э. Н. Эконому , Хайнц Ретер , Э. Кречманн и А. Отто в 1960-х и 1970-х годах. Передача информации в наномасштабных структурах, аналогичная фотонике , посредством поверхностных плазмонов называется плазмоникой . [2]
Поверхностные плазмонные поляритоны могут возбуждаться электронами [3] или фотонами. В случае фотонов это невозможно сделать напрямую, а требует призмы, или решетки, или дефекта на поверхности металла. [4]
На низкой частоте SPP приближается к волне Зоммерфельда-Ценнека , где дисперсионное соотношение (соотношение между частотой и волновым вектором) такое же, как в свободном пространстве. На более высокой частоте дисперсионное соотношение изгибается и достигает асимптотического предела, называемого « плазменной частотой » [4] (см. рисунок справа). [a] Более подробную информацию см. в разделе поверхностный плазмон-поляритон .
При распространении SPP вдоль поверхности он теряет энергию в металле из-за поглощения. Он также может терять энергию из-за рассеяния в свободном пространстве или в других направлениях. Электрическое поле спадает затухающе перпендикулярно поверхности металла. На низких частотах глубина проникновения SPP в металл обычно аппроксимируется с помощью формулы глубины скин-слоя . В диэлектрике поле будет спадать гораздо медленнее. SPP очень чувствительны к небольшим возмущениям в пределах глубины скин-слоя, и из-за этого SPP часто используются для исследования неоднородностей поверхности. [4] Более подробную информацию см. в разделе поверхностный плазмонный поляритон .
Локализованные поверхностные плазмоны возникают в небольших металлических объектах, включая наночастицы. Поскольку трансляционная инвариантность системы теряется, описание в терминах волнового вектора , как в SPP, не может быть сделано. Также в отличие от непрерывного дисперсионного соотношения в SPP, электромагнитные моды частицы дискретизированы. [7]
LSP могут возбуждаться непосредственно через падающие волны; эффективное взаимодействие с модами LSP соответствует резонансам и может быть приписано поглощению и рассеянию с увеличением усиления локального поля. [7] Резонансы LSP в значительной степени зависят от формы частицы; сферические частицы могут быть изучены аналитически с помощью теории Ми . [4] [7]
Возбуждение поверхностных плазмонов часто используется в экспериментальной технике, известной как поверхностный плазмонный резонанс (SPR). В SPR максимальное возбуждение поверхностных плазмонов обнаруживается путем мониторинга отраженной мощности от призматического соединителя как функции угла падения или длины волны . Эта техника может использоваться для наблюдения нанометровых изменений толщины, флуктуаций плотности или молекулярного поглощения. Недавние работы также показали, что SPR может использоваться для измерения оптических индексов многослойных систем, где эллипсометрия не дала результата. [8] [9]
Схемы на основе поверхностных плазмонов были предложены как средство преодоления ограничений по размеру фотонных схем для использования в высокопроизводительных наноустройствах обработки данных. [10]
Возможность динамически управлять плазмонными свойствами материалов в этих наноустройствах является ключом к их развитию. Недавно был продемонстрирован новый подход, который использует плазмон-плазмонные взаимодействия. Здесь индуцируется или подавляется объемный плазмонный резонанс для управления распространением света. [11] Было показано, что этот подход имеет высокий потенциал для наномасштабной световой манипуляции и разработки полностью совместимого с КМОП электрооптического плазмонного модулятора, который, как говорят, станет будущим ключевым компонентом в фотонных схемах в масштабе чипа. [12]
Некоторые другие поверхностные эффекты, такие как поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние и поверхностно-усиленная флуоресценция, индуцируются поверхностными плазмонами благородных металлов , поэтому были разработаны датчики на основе поверхностных плазмонов. [13]
При генерации второй поверхностной гармоники сигнал второй гармоники пропорционален квадрату электрического поля. Электрическое поле сильнее на границе раздела из-за поверхностного плазмона, приводящего к нелинейному оптическому эффекту . Этот больший сигнал часто используется для создания более сильного сигнала второй гармоники. [14]
Длина волны и интенсивность пиков поглощения и испускания, связанных с плазмоном, зависят от молекулярной адсорбции, которая может использоваться в молекулярных датчиках. Например, был изготовлен полностью рабочий прототип устройства, обнаруживающего казеин в молоке. Устройство основано на мониторинге изменений в поглощении света, связанном с плазмоном, золотым слоем. [15]