Кіріспе

Физикада плазмон – плазма тербелісінің кванты. Жарық (оптикалық тербеліс) фотондардан тұратындай, плазма тербелісі плазмондардан тұрады. Плазмон – квазибөлшек ретінде қарастырылады, себебі ол плазма тербелісінің квантталуынан туындайды, дәл сияқты механикалық тербелістердің квантталуы фонондарды құрайды. Осылайша, плазмондар – еркін электрондық газ тығыздығының ұжымдық (дискретті) тербелістері. Мысалы, оптикалық жиіліктерде плазмон фотонмен байланысып, плазмон поляритоны деп аталатын тағы бір квазибөлшек құрайды. Плазмондарды зерттеу және манипуляциялау саласы плазмоника деп аталады.

Алыстыру

Плазмонды алғаш рет 1952 жылы Дэвид Пайнс пен Дэвид Бом ұсынды және ол ұзақ қашықтықтағы электрон-электрон өзара әрекеттесуіне арналған Гамильтон операторынан туындайтыны көрсетілді. Плазмондар классикалық плазма тербелістерінің квантталған түрі болғандықтан, олардың көптеген қасиеттерін Максвелл теңдеулерінен тікелей шығаруға болады.

Түсіндірме

Плазмондарды классикалық тұрғыдан металдың бекітілген оң иондарына қатысты электрон тығыздығының тербелісі ретінде сипаттауға болады. Плазма тербелісін көру үшін, оңға бағытталған сыртқы электр өрісіне ұшыратылған металл текшесін көзге елестетіңіз. Электрондар сол жаққа жылжып, оң жақтағы оң иондарды жалақтап, метал ішіндегі өрісті жояды. Егер электр өрісі алынса, электрондар бір-бірінен итеріліп, оң жақта ашық қалған оң иондарға тартылып, оңға қарай қозғалады. Олар энергияны қандай да бір қарсылыққа немесе демпферлеуге дейін плазма жиілігінде алға-артқа тербеледі. Плазмондар – осы тербелістің квантталған түрі.

Жер бетіндегі плазмондар

Жер бетіндегі плазмондар – бетке локализацияланған және жарықпен күшті өзара әрекеттесетін плазмондар, нәтижесінде поляритон пайда болады. Олар оң диэлектрлік тұрақтыға (рұқсат ету қабілетінің нақты бөлігі) ие материалдардың (мысалы, вакуум, ауа, шыны және басқа диэлектрліктер) және белгілі бір жарық жиілігінде теріс диэлектрлік тұрақтыға (рұқсат ету қабілетінің нақты бөлігі) ие материалдардың (әдетте металл немесе жоғары допингтелген жартылай өткізгіштер) интерфейсінде пайда болады. Рұқсат ету қабілетінің нақты бөлігінің қарама-қарсы белгілеріне қоса, теріс рұқсат ету қабілеті аймағындағы нақты бөлігінің шамасы оң рұқсат ету қабілеті аймағындағы шамасынан артық болуы керек, әйтпесе жарық бетке байланбайды (яғни, беттік плазмондар болмайды), бұл Хайнц Райтердің танымал кітабында көрсетілген. Жарықтың көрінетін толқын ұзындығында, мысалы, He-Ne лазерімен (632,8 нм) қамтамасыз етілгенде, беттік плазмондарды қолдайтын интерфейстер көбінесе күміс немесе алтын (теріс нақты бөлігі бар рұқсат ету қабілеті) және ауа немесе кремний диоксиді сияқты диэлектриктердің байланысында қалыптасады. Материалдардың таңдалуы жарықтың локализация дәрежесіне және жоғалтуларға байланысты таралу қашықтығына маңызды әсер етеді. Беттік плазмондар тегіс беттерден өзге де интерфейстерде болуы мүмкін, мысалы, бөлшектерде, тіктөртбұрышты жолақтарда, V-тәрізді ойыстарда, цилиндрлерде және басқа да құрылымдарда. Беттік плазмондардың жарықты дифракция шегінен төмен локализациялау қабілетіне байланысты көптеген құрылымдар зерттелді. Бір қарапайым құрылым – мыс және никельдің көп қабатты жүйесі. Младенович және авторлар бұл көп қабатты жүйені бір плазмондық материал ретінде пайдалануды хабарлады. Мыс қабаттарының тотығуы никель қабаттарын қосу арқылы алдын алады. Мысты плазмоникалық материал ретінде пайдалану – плазмониканы интеграциялаудың оңай жолы, себебі ол никельмен бірге металл жалату үшін ең көп қолданылатын материал. Көп қабатты жүйе түсетін жарық үшін дифракциялық тор ретінде қызмет етеді. Мыс пен никельдің қалыңдық қатынасына байланысты көп қабатты жүйеде нормальды жағдайда 40%-ға дейін трансляцияға қол жеткізуге болады. Сондықтан, көп қабатты құрылымда бұрыннан танымал металдарды пайдалану плазмоникалық интеграция үшін тиімді шешім болып табылады. Беттік плазмондар беттік күшейтілген Раман спектроскопиясында және металл торларынан дифракциядағы аномалияларды (Вуд аномалиясы) түсіндіруде де рөл атқарады. Биохимиктер беттік плазмондық резонансты рецепторларға байланысатын лигандтардың (мысалы, ферментке субстраттың байланысуы) механизмдерін және кинетикасын зерттеу үшін пайдаланады. Көп параметрлі беттік плазмондық резонанс молекулалық өзара әрекеттесулерді өлшеу үшін ғана емес, сонымен қатар адсорбцияланған молекулалардың, полимерлік қабаттардың немесе графеннің наноқабат қасиеттерін немесе құрылымдық өзгерістерін өлшеу үшін де қолданылуы мүмкін. Беттік плазмондар металдардың рентгендік эмиссиялық спектрінде де байқалуы мүмкін. Металдардың рентгендік эмиссиялық спектріндегі беттік плазмондар үшін дисперсиялық қатынас алынған (Харш және Агарвал). Соңғы уақыттарда беттік плазмондар материалдардың түсін басқару үшін қолданылады. Бұл мүмкін, себебі бөлшектің пішіні мен мөлшерін басқару оған біріктірілетін және таралатын беттік плазмондардың түрлерін анықтайды. Бұл өз кезегінде жарықтың бетпен өзара әрекеттесуін басқарады. Бұл эффектілер ортағасырлық соборларды безендіретін тарихи боялған шынылармен көрсетілген. Кейбір боялған шыны түстері белгілі бір мөлшердегі металл нанобөлшектердің нәтижесінде пайда болады, олар жарықпен өзара әрекеттесіп, шыныға жарқын қызыл түс береді. Қазіргі ғылымда бұл эффектілер көрінетін жарық және микротолқынды сәулелену үшін жасалған. Көптеген зерттеулер микротолқын диапазонында жүргізіледі, өйткені бұл толқын ұзындығында материалдың бетін және үлгілерді механикалық түрде жасауға болады, себебі пішіндер әдетте бірнеше сантиметрге дейін жетеді. Оптикалық диапазонды беттік плазмон эффекттерін жасау үшін <400 нм ерекшеліктері бар беттерді жасау қажет. Бұл әлдеқайда қиын және тек жақында ғана сенімді және қолжетімді түрде жүзеге асыру мүмкін болды. Жақында графеннің де беттік плазмондарды қабылдайтыны көрсетілді, бұл жақын өрістегі инфрақызыл оптикалық микроскопия әдістері және инфрақызыл спектроскопия арқылы байқалды. Графен плазмоникасының потенциалды қолданылуы негізінен терагерцтен орта инфрақызыл жиіліктерге бағытталған, мысалы, оптикалық модуляторлар, фотодетекторлар, биосенсорлар.

Мүмкін болатын қолданулар

Плазмонның сіңіру және эмиссия шыңдарының орналасуы мен қарқындылығы молекулалық адсорбцияға тәуелді, осы қасиет молекулалық сенсорларда қолданылады. Мысалы, сүтте казеинды анықтайтын, алтын қабатының сіңіру қасиеттеріндегі өзгеріштерді тіркеуге негізделген, толыққанды жұмыс істейтін құрылғының прототипі жасалды. Металл нанобөлшектерінің жергілікті беттік плазмондары түрлі молекулаларды, ақуыздарды және т.б. анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Плазмондар компьютерлік чиптерде ақпаратты тарату құралы ретінде қарастырылуда, себебі плазмондар өте жоғары жиіліктерді (100 ТГц-ке дейін) қолдай алады, ал дәстүрлі сымдар ондаған ГГц жиілікте жоғары шығынды көрсетіп жатады. Бірақ плазмондық электрониканың тиімді болуы үшін транзисторға ұқсас плазмондық күшейткіш, яғни плазмонатор құрылғысын жасау қажет. Плазмондардың өте кішкентай толқын ұзындығына байланысты, олар жоғары ажыратымды литография және микроскопия құралдары ретінде ұсынылған, және осы екі қолданыс та зертхана жағдайында сәтті көрсетілген. Сонымен қатар, беттік плазмондар жарықты өте кішкентай өлшемдерге шоғырландыруға мүмкіндік береді, бұл көптеген жаңа қолданыстарға жол ашады. Беттік плазмондар олардың таралуын қамтамасыз ететін материалдардың қасиеттеріне өте сезімтал. Осының нәтижесінде, олар коллоидтық пленкалардағы моноқабаттардың қалыңдығын өлшеу үшін, сондай-ақ белок байланысу оқиғаларын тексеру және сандық бағалау үшін қолданылады. Biacore сияқты компаниялар осы принциптерге негізделген құралдарды коммерцияландырған. L'Oréal және басқа компаниялар макияж өнімдерін жақсарту мақсатында оптикалық беттік плазмондарды зерттеуде. 2009 жылы корейлік зерттеу тобы плазмондарды қолдану арқылы органикалық жарықдиодтардың тиімділігін арттырудың жолын тапты. IMEC басшылығымен еуропалық зерттеушілер тобы металл наноқұрылымдарын (плазмоникалық эффекттерді пайдалана отырып) енгізу арқылы күн элементтерінің тиімділігі мен құнын жақсарту бойынша жұмыс бастады. Бұл наноқұрылымдар күн элементтерінің әртүрлі түрлеріне жарық сіңіруді күшейтуге мүмкіндік береді: кристалл кремний (c Si), жоғары өнімді III-V, органикалық және бояу сезімтал күн элементтері. Алайда, плазмоникалық фотоэлектрлік құрылғылардың оңтайлы жұмыс істеуі үшін өте жұқа, мөлдір өткізгіш оксидтер қажет. Плазмониканы қолдана отырып, толық түсті голограммалар жасалды.

Плазмоналық солитон

Плазмондық солитон математикалық тұрғыдан алғанда, плазмондық режимді де, оқшауланған шешімді де ескере отырып, металлдың сызықтық емес ортасы үшін, сызықтық емес амплитудалық теңдеудің гибридтік шешімі болып табылады. Ал солиплазмондық резонанс – бұл резонанстық өзара әрекеттесу нәтижесінде кеңістіктік солитонмен беткі плазмондық режимді біріктіретін квазибөлшектер ретінде қарастырылады. Плазмоникалық толқын жетекте бір өлшемді оқшауланған таралуға қол жеткізу үшін, беткі плазмондар интерфейсте локалдануы керек, сонымен қатар өріс қабығының бүйірлік таралуы өзгермейтін болуы тиіс. Графен негізіндегі толқын жетектері үлкен тиімді ауданы мен жоғары сызықтық емес сипаттамаларының арқасында гибридтік плазмондық солитондарды қолдауға қолайлы платформа болып табылады. Мысалы, графен-диэлектрлік гетероқұрылымындағы оқшауланған толқындардың таралуы дифракция мен сызықтық емес сипаттамалар арасындағы бәсекелестік нәтижесінде жоғары реттік солитон немесе дискретті солитон түрінде пайда болуы мүмкін.