Plasmon

Plasmon
Förening: Kvasipartikel
Klassificering: Ytplasmoner , plasmonresonans

Inom fysiken är en plasmon  en kvasipartikel som motsvarar kvantiseringen av plasmaoscillationer , som är kollektiva svängningar av en fri elektrongas [1] .

Begreppets ursprung

Termen "plasmon" introducerades 1952 av de amerikanska fysikerna David Pines och David Bohm [2] [3] som Hamiltonian för långdistanselektron-elektronkorrelationer [4] [5] .

Eftersom plasmoner är kvantiserade klassiska plasmaoscillationer kan de flesta av deras egenskaper härledas direkt från Maxwells ekvationer [6] .

Förklaring

Plasmoner bestämmer till stor del de optiska egenskaperna hos metaller och halvledare . Elektromagnetisk strålning med en frekvens under materialets plasmafrekvens reflekteras väl från det, eftersom fria elektroner kan oscillera med en sådan frekvens i takt med svängningarna i det elektromagnetiska fältet för denna strålning och kommer att skärma av det. Men ovanför plasmafrekvensen kan elektronerna inte längre oscillera tillräckligt snabbt, och elektromagnetisk strålning med en så hög frekvens kan penetrera, passera genom eller absorberas av en metall eller halvledare.

Plasmafrekvenserna för de flesta rena metaller ligger i det ultravioletta området av spektrumet , och i hela det synliga området reflekterar dessa metaller strålning lika bra och ser därför färglösa och glänsande ut. Men koppar och guld har elektroniska övergångar vid frekvenser i det synliga spektrumet. På dem absorberas ljus starkare av metallen än vid andra frekvenser i det synliga området, varför koppar och guld i reflekterat ljus ser färgade ut [7] [8] .

I halvledare är plasmafrekvensen för valensbandselektroner vanligtvis i det avlägsna ultravioletta området, men elektroniska övergångar mellan nivåer kan vara med fotonenergier för synligt ljus. En sådan halvledare kommer också selektivt att absorbera synliga ljusfrekvenser och framstå som färgad [9] [10] . I högdopade halvledare i form av nanopartiklar kan plasmafrekvensen ligga i det nära eller mellaninfraröda området [11] [12] .

Plasmonenergin kan uppskattas i den nästan fria elektronmodellen som:

där n  är densiteten av valenselektroner, e  är den elementära laddningen , m  är elektronmassan och ε 0  är vakuumpermeabiliteten .

Ytplasmoner (plasmoner begränsade till ytor) interagerar starkt med ljus, vilket resulterar i bildandet av polaritoner . De spelar en roll i ytförbättring av Raman-spridning av ljus och för att förklara anomalier i metalldiffraktion. Ytplasmonresonans används inom biokemi för att detektera närvaron av molekyler på en yta.

En lokaliserad ytplasmon finns i små metallpartiklar (nanopartiklar) som guld eller silver . För tillräckligt små partikelstorlekar (partikeldiameter < våglängd för inkommande elektromagnetisk strålning) kan den betraktas som en oscillerande dipol. Den absorberade energin från elektromagnetisk strålning kan avsevärt värma nanopartiklarna [13] .

Möjliga användningsområden

Plasmoner ses som ett sätt att överföra information i datorchips , eftersom plasmontrådar kan vara mycket tunnare än vanliga ledningar och kan stödja mycket högre frekvenser (i 100 THz -läget , medan vanliga ledningar har höga förluster vid 10 GHz ). De har också föreslagits som ett medium för högupplöst litografi och mikroskopi på grund av deras extremt korta våglängder. Båda dessa applikationer har framgångsrikt demonstrerats i laboratorier.

Plasmoner kan också användas för att generera strålning i strukturer som kallas spasers .

Anteckningar

  1. ↑ Slyusar, V.I. Nanoantenner: tillvägagångssätt och framtidsutsikter. - C. 58 - 65. . Elektronik: vetenskap, teknik, affärer. - 2009. - Nr 2. C. 63 (2009). Hämtad 3 juni 2021. Arkiverad från originalet 3 juni 2021.
  2. ↑ Pines, David; Bohm, David. En samlad beskrivning av elektroninteraktioner: II. Kollektiva kontra individuella partikelaspekter av interaktionerna  // Fysisk granskning  . - 1952. - 15 januari ( iss. 85 ). — S. 338 .
  3. ↑ Sarid, Dror; Utmanare, William. Modern introduktion till ytplasmoner: teori, matematikmodellering och tillämpningar . - Cambridge University Press, 2010. - P. 1. - ISBN 978-0-521-76717-0 .
  4. ↑ Bohm, David; Pines, David. Coulomb-interaktioner i en degenererad elektrongas  // Fysisk granskning  . - 1953. - 1 november ( iss. 92 ). — S. 609–625 . - doi : 10.1103/physrev.92.609 . - .
  5. ↑ Shevchik NJ Alternativ härledning av Bohm-Pines teorin om elektron-elektroninteraktioner  //  J. Phys. C: Solid State Phys. - 1974. - Vol. 7 . - P. 3930-3936 . - doi : 10.1088/0022-3719/7/21/013 . - .
  6. ↑ Jackson, JD 10.8 Plasma Oscillations // Klassisk elektrodynamik . — 2:a. - New York: John Wiley & Sons , 1975. - ISBN 978-0-471-30932-1 .
  7. ↑ Burdick, Glenn. Energibandstruktur av koppar  (engelska)  // Fysisk granskning . - 1963. - Vol. 129 . — S. 138–150 . - doi : 10.1103/PhysRev.129.138 . - .
  8. ↑ S. Zeng. En recension om funktionaliserade guldnanopartiklar för biosensingapplikationer   // Plasmonics . - 2011. - Vol. 6 , iss. 3 . — S. 491–506 . - doi : 10.1007/s11468-011-9228-1 .
  9. ↑ Kittel, C. Introduktion till fasta tillståndets fysik . — 8:a. - John Wiley & Sons , 2005. - S.  403 .
  10. ↑ Böer, K.W. Survey of Semiconductor Physics. — 2:a. - John Wiley & Sons , 2002. - Vol. 1. - S. 525.
  11. ↑ Liu, Xin; Swihart, Mark T. Kraftigt dopade kolloidala halvledare och metalloxid nanokristaller: en framväxande ny klass av plasmoniska nanomaterial   // Chem . soc. Rev.. - 2014. - Vol. 43 . - P. 3908-3920 . - doi : 10.1039/c3cs60417a .
  12. ↑ Pi, Xiaodong; Delerue, Christophe. Tättbindande beräkningar av det optiska svaret hos optimalt P-dopade Si-nanokristaller: en modell för lokaliserad ytplasmonresonans  // Physical Review Letters  . - 2013. - Vol. 111 . — S. 177402 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.111.177402 . - . — PMID 24206519 .
  13. ↑ doi:10.1016/S1748-0132(07)70017-8 . Hämtad 20 juli 2010. Arkiverad från originalet 10 juli 2010.

Länkar

 Kvasipartiklar ( Lista över kvasipartiklar )
Elementärt
Sammansatt
Klassificeringar