Плазмон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Плазмон
Состав: Квазичастица
Классификация: Поверхностные плазмоны, плазмонный резонанс

В физике, плазмо́н — квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа.

Происхождение понятия[править | править код]

Термин «плазмон» был введён в 1952 году американскими физиками Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом[1][2] как гамильтониан дальних электрон-электронных корреляций[3][4].

Поскольку плазмоны — это квантованные классические плазменные колебания, большинство их свойств могут быть выведены напрямую из уравнений Максвелла[5].

Объяснение[править | править код]

Плазмоны в значительной мере определяют оптические свойства металлов и полупроводников. Электромагнитное излучение с частотой ниже плазменной частоты материала хорошо отражается от него, потому что свободные электроны смогут колебаться с такой частотой в такт с колебаниями электромагнитного поля этого излучения, и будут экранировать его. Но при частоте выше плазменной электроны уже не могут колебаться достаточно быстро, и электромагнитное излучение такой высокой частоты может проникать в толщу металла или полупроводника, проходить сквозь него или поглощаться им.

Плазменные частоты большинства чистых металлов лежат в ультрафиолетовой области спектра, а во всём видимом диапазоне эти металлы одинаково хорошо отражают излучение, и потому выглядят бесцветными и блестящими. Но медь и золото имеют электронные переходы на частотах видимого спектра. На них свет сильнее поглощается металлом, чем на других частотах видимого дипазона, из-за чего медь и золото в отражённом свете выглядят окрашенными[6][7].

В полупроводниках плазменная частота электронов валентной зоны обычно находится в дальнем ультрафиолетовом диапазоне, но межуровневые электронные переходы могут быть с энергиями фотонов видимого света. Такой полупроводик также будет выборочно поглощать частоты видимого света и выглядеть цветным[8][9]. У высоколегированных полупроводников в форме наночастиц плазменная частота может быть в ближнем или среднем инфракрасном диапазоне[10][11].

Энергию плазмона можно оценить в модели почти свободных электронов как:

где n — плотность валентных электронов, e — элементарный заряд, m — масса электрона и ε0 — проницаемость вакуума.

Поверхностные плазмоны (плазмоны, ограниченные поверхностями) сильно взаимодействуют со светом, приводя к образованию поляритонов. Они играют роль в поверхностном усилении рамановского рассеяния света и в объяснении аномалий в дифракции металлов. Поверхностный плазмонный резонанс используется в биохимии, чтобы определять присутствие молекул на поверхности.

Локализованный поверхностный плазмон присутствует в мелких металлических частицах (наночастицах), таких как золото или серебро. При достаточно малых размерах частиц (диаметр частицы < длина волны входящего электромагнитного излучения), она может быть рассмотрена как колеблющийся диполь. Поглощённая энергия электромагнитного излучения может существенно нагревать наночастицы[12].

Возможное использование[править | править код]

Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации в компьютерных чипах, так как провода для плазмонов могут быть намного тоньше, чем обычные провода, и могут поддерживать намного более высокие частоты (в режиме 100 ТГц, в то время как обычные провода обладают большими потерями при 10 ГГц). Они были также предложены как средство для литографии и микроскопии высокого разрешения из-за их чрезвычайно малых длин волн. Оба из этих применений с успехом были продемонстрированы в лабораториях.[источник не указан 151 день]

Также плазмоны можно использовать для генерации излучения в структурах, называемых спазерами.

Примечания[править | править код]

  1. Pines, David; Bohm, David. A Collective Description of Electron Interactions: II. Collective vs Individual Particle Aspects of the Interactions (англ.) // Physical Review. — 1952. — 15 January (iss. 85). — P. 338.
  2. Sarid, Dror; Challener, William. Modern Introduction to Surface Plasmons: Theory, Mathematica Modeling, and Applications. — Cambridge University Press, 2010. — P. 1. — ISBN 978-0-521-76717-0.
  3. Bohm, David; Pines, David. Coulomb Interactions in a Degenerate Electron Gas (англ.) // Physical Review. — 1953. — 1 November (iss. 92). — P. 609–625. — DOI:10.1103/physrev.92.609. — Bibcode1953PhRv...92..609B.
  4. Shevchik N. J. Alternative derivation of the Bohm-Pines theory of electron-electron interactions (англ.) // J. Phys. C: Solid State Phys.. — 1974. — Vol. 7. — P. 3930–3936. — DOI:10.1088/0022-3719/7/21/013. — Bibcode1974JPhC....7.3930S.
  5. Jackson, J. D. 10.8 Plasma Oscillations // Classical Electrodynamics. — 2nd. — New York: John Wiley & Sons, 1975. — ISBN 978-0-471-30932-1.
  6. Burdick, Glenn. Energy Band Structure of Copper (англ.) // Physical Review. — 1963. — Vol. 129. — P. 138–150. — DOI:10.1103/PhysRev.129.138. — Bibcode1963PhRv..129..138B.
  7. S. Zeng A review on functionalized gold nanoparticles for biosensing applications (англ.) // Plasmonics. — 2011. — Vol. 6, iss. 3. — P. 491–506. — DOI:10.1007/s11468-011-9228-1.
  8. Kittel, C. Introduction to Solid State Physics. — 8th. — John Wiley & Sons, 2005. — P. 403.
  9. Böer, K. W. Survey of Semiconductor Physics. — 2nd. — John Wiley & Sons, 2002. — Vol. 1. — P. 525.
  10. Liu, Xin; Swihart, Mark T. Heavily-doped colloidal semiconductor and metal oxide nanocrystals: an emerging new class of plasmonic nanomaterials (англ.) // Chem. Soc. Rev.. — 2014. — Vol. 43. — P. 3908–3920. — DOI:10.1039/c3cs60417a.
  11. Pi, Xiaodong; Delerue, Christophe. Tight-binding calculations of the optical response of optimally P-doped Si nanocrystals: a model for localized surface plasmon resonance (англ.) // Physical Review Letters. — 2013. — Vol. 111. — P. 177402. — DOI:10.1103/PhysRevLett.111.177402. — Bibcode2013PhRvL.111q7402P. — PMID 24206519.
  12. doi:10.1016/S1748-0132(07)70017-8

Ссылки[править | править код]