Plasmon

Plasmon
Compus: Cvasiparticulă
Clasificare: Plasmoni de suprafață , rezonanță plasmonică

În fizică, un plasmon  este o cvasiparticulă care corespunde cuantizării oscilațiilor plasmatice , care sunt oscilații colective ale unui gaz de electroni liberi [1] .

Originea conceptului

Termenul „plasmon” a fost introdus în 1952 de către fizicienii americani David Pines și David Bohm [2] [3] ca Hamiltonian al corelațiilor electron-electron cu rază lungă [4] [5] .

Deoarece plasmonii sunt oscilații clasice cuantificate ale plasmei, majoritatea proprietăților lor pot fi derivate direct din ecuațiile lui Maxwell [6] .

Explicație

Plasmonii determină în mare măsură proprietățile optice ale metalelor și semiconductorilor . Radiația electromagnetică cu o frecvență sub frecvența plasmatică a materialului este bine reflectată de ea, deoarece electronii liberi pot oscila cu o astfel de frecvență în timp cu oscilațiile câmpului electromagnetic al acestei radiații și o vor proteja. Dar peste frecvența plasmei, electronii nu mai pot oscila suficient de repede, iar radiația electromagnetică de o astfel de frecvență înaltă poate pătrunde, trece sau poate fi absorbită de un metal sau semiconductor.

Frecvențele plasmatice ale majorității metalelor pure se află în regiunea ultravioletă a spectrului și, în întregul interval vizibil, aceste metale reflectă la fel de bine radiația și, prin urmare, arată incolore și strălucitoare. Dar cuprul și aurul au tranziții electronice la frecvențele din spectrul vizibil. Pe ele, lumina este absorbită mai puternic de metal decât la alte frecvențe din domeniul vizibil, motiv pentru care cuprul și aurul în lumina reflectată par colorate [7] [8] .

În semiconductori, frecvența în plasmă a electronilor benzii de valență este de obicei în domeniul ultravioletei îndepărtate, dar tranzițiile electronice între niveluri pot fi cu energii fotoni de lumină vizibilă. Un astfel de semiconductor va absorbi, de asemenea, selectiv frecvențele luminii vizibile și va apărea colorat [9] [10] . În semiconductori puternic dopați sub formă de nanoparticule, frecvența plasmei poate fi în intervalul infraroșu apropiat sau mediu [11] [12] .

Energia plasmonului poate fi estimată în modelul cu electroni aproape liberi ca:

unde n  este densitatea electronilor de valență, e  este sarcina elementară , m  este masa electronilor și ε 0  este permeabilitatea la vid .

Plasmonii de suprafață (plasmonii limitați la suprafețe) interacționează puternic cu lumina, ducând la formarea de polaritoni . Ele joacă un rol în îmbunătățirea suprafeței împrăștierii Raman a luminii și în explicarea anomaliilor în difracția metalelor. Rezonanța plasmonilor de suprafață este utilizată în biochimie pentru a detecta prezența moleculelor pe o suprafață.

Un plasmon de suprafață localizat este prezent în particule metalice mici (nanoparticule), cum ar fi aurul sau argintul . Pentru particule de dimensiuni suficient de mici (diametrul particulei < lungimea de undă a radiației electromagnetice de intrare), acesta poate fi considerat ca un dipol oscilant. Energia absorbită a radiațiilor electromagnetice poate încălzi în mod semnificativ nanoparticulele [13] .

Utilizări posibile

Plasmonii sunt priviți ca un mijloc de transmitere a informațiilor în cipurile computerului , deoarece firele plasmonice pot fi mult mai subțiri decât firele obișnuite și pot suporta frecvențe mult mai mari (în modul 100 THz , în timp ce firele obișnuite au pierderi mari la 10 GHz ). Ele au fost, de asemenea, propuse ca mediu pentru litografie și microscopie de înaltă rezoluție datorită lungimii de undă extrem de scurte. Ambele aceste aplicații au fost demonstrate cu succes în laboratoare.

Plasmonii pot fi, de asemenea, folosiți pentru a genera radiații în structuri numite spasers .

Note

  1. ↑ Slyusar, V.I. Nanoantene: abordări și perspective. - C. 58 - 65. . Electronică: știință, tehnologie, afaceri. - 2009. - Nr 2. C. 63 (2009). Preluat la 3 iunie 2021. Arhivat din original la 3 iunie 2021.
  2. ↑ Pini, David; Bohm, David. O descriere colectivă a interacțiunilor electronilor: II. Particule colective vs individuale Aspecte ale interacțiunilor  // Analiza fizică  . - 1952. - 15 ianuarie ( s. 85 ). — P. 338 .
  3. ↑ Sarid, Dror; Challenger, William. Introducere modernă în plasmonii de suprafață: teorie, modelare Mathematica și aplicații . - Cambridge University Press, 2010. - P. 1. - ISBN 978-0-521-76717-0 .
  4. ↑ Bohm, David; Pini, David. Interacțiuni Coulomb într- un gaz electron degenerat  // Revizuire fizică  . - 1953. - 1 noiembrie ( s. 92 ). — P. 609–625 . - doi : 10.1103/physrev.92.609 . - Cod biblic .
  5. ↑ Shevchik NJ Derivarea alternativă a teoriei Bohm-Pines a interacțiunilor electron-electron  //  J. Phys. C: Solid State Phys. - 1974. - Vol. 7 . - P. 3930-3936 . - doi : 10.1088/0022-3719/7/21/013 . - Cod biblic .
  6. ↑ Jackson, JD 10.8 Oscilații plasmatice // Electrodinamică clasică . — al 2-lea. - New York: John Wiley & Sons , 1975. - ISBN 978-0-471-30932-1 .
  7. ↑ Burdick, Glenn. Structura benzii energetice a cuprului  (engleză)  // Revizuire fizică . - 1963. - Vol. 129 . — P. 138–150 . - doi : 10.1103/PhysRev.129.138 . - Cod .
  8. ↑ S. Zeng. O revizuire a nanoparticulelor de aur funcționalizate pentru aplicații de biosensing   // Plasmonics . - 2011. - Vol. 6 , iss. 3 . — P. 491–506 . - doi : 10.1007/s11468-011-9228-1 .
  9. ↑ Kittel, C. Introducere în fizica stării solide . — al 8-lea. - John Wiley & Sons , 2005. - P.  403 .
  10. ↑ Böer, K.W. Survey of Semiconductor Physics. — al 2-lea. - John Wiley & Sons , 2002. - Vol. 1. - P. 525.
  11. ↑ Liu, Xin; Swihart, Mark T. Semiconductor coloidal puternic dopat și nanocristale de oxid de metal: o nouă clasă în curs de dezvoltare de nanomateriale plasmonice   // Chem . soc. Rev.. - 2014. - Vol. 43 . - P. 3908-3920 . - doi : 10.1039/c3cs60417a .
  12. ↑ Pi, Xiaodong; Delerue, Christophe. Calcule strânse ale răspunsului optic al nanocristalelor de Si dopate cu P optim: un model pentru rezonanța plasmonilor de suprafață localizată  // Physical Review Letters  . - 2013. - Vol. 111 . — P. 177402 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.111.177402 . - Cod . — PMID 24206519 .
  13. ↑ doi:10.1016/S1748-0132(07)70017-8 . Preluat la 20 iulie 2010. Arhivat din original la 10 iulie 2010.

Link -uri

 Cvasiparticule ( Lista de cvasiparticule )
Elementar
Compozit
Clasificări