Квазичастицы колебаний заряда в конденсированных средах

Введение

Квазичастицы колебаний заряда в конденсированном веществе

В физике плазмон — это квант плазменных колебаний. Подобно тому, как свет (оптическое колебание) состоит из фотонов, плазменные колебания состоят из плазмонов. Плазмон можно рассматривать как квазичастицу, поскольку он возникает в результате квантования плазменных колебаний, подобно тому, как фононы являются квантами механических колебаний. Таким образом, плазмоны представляют собой коллективные (определённое число) колебания плотности электронного газа. Например, на оптических частотах плазмоны могут взаимодействовать с фотоном, образуя другую квазичастицу, называемую плазмонным поляритоном. Область изучения и управления плазмонами называется плазмоника.

Вывод

Плазмон был впервые предложен в 1952 году Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом и показал, что он возникает из гамильтониана, описывающего дальнодействующие электрон-электронные корреляции. Поскольку плазмоны являются квантованием классических плазменных колебаний, большинство их свойств можно непосредственно вывести из уравнений Максвелла.

Пояснение

Плазмоны в классическом представлении можно описать как колебание электронной плотности относительно неподвижных положительных ионов в металле. Чтобы представить плазменное колебание, представьте куб металла, помещенный во внешнее электрическое поле, направленное вправо. Электроны переместятся к левой стороне (оставляя положительные ионы на правой стороне открытыми), пока не компенсируют поле внутри металла. Если внешнее электрическое поле убрать, электроны двинутся вправо, отталкиваясь друг от друга и притягиваясь к положительным ионам, оставшимся незащищенными на правой стороне. Они будут колебаться взад и вперед с плазменной частотой, пока энергия не рассеется из-за сопротивления или затухания. Плазмоны – это квантование такого типа колебаний.

Поверхностные плазмоны

Поверхностные плазмоны – это плазмоны, локализованные на поверхностях и сильно взаимодействующие со светом, что приводит к образованию поляритона. Они возникают на границе материала с положительной действительной частью относительной диэлектрической проницаемости (т.е. диэлектрической постоянной, например, вакуума, воздуха, стекла и других диэлектриков) и материала, у которого действительная часть диэлектрической проницаемости отрицательна при данной частоте света, как правило, металла или сильно легированных полупроводников. Помимо противоположного знака действительной части диэлектрической проницаемости, модуль действительной части диэлектрической проницаемости в области отрицательных значений обычно должен быть больше модуля диэлектрической проницаемости в области положительных значений, иначе свет не будет связан с поверхностью (т.е. поверхностные плазмоны не существуют), как показано в известной книге Хайнца Райтера. При видимых длинах волн света, например, 632,8 нм, генерируемых He-Ne лазером, интерфейсы, поддерживающие поверхностные плазмоны, часто формируются из металлов, таких как серебро или золото (с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости), в контакте с диэлектриками, такими как воздух или диоксид кремния. Конкретный выбор материалов может существенно влиять на степень локализации света и расстояние распространения из-за потерь. Поверхностные плазмоны могут существовать и на других интерфейсах, помимо плоских поверхностей, например, на частицах, прямоугольных полосках, V-образных канавках, цилиндрах и других структурах. Многие структуры были исследованы благодаря способности поверхностных плазмонов локализовать свет ниже дифракционного предела. Одной из простых исследованных структур является многослойная система меди и никеля. Mladenovic и др. описывают использование многослойных материалов как единого плазмонного материала. Окисление медных слоев предотвращается добавлением слоев никеля. Использование меди в качестве плазмонного материала – простой путь интеграции плазмоники, поскольку медь, наряду с никелем, является наиболее распространенным выбором для металлического покрытия. Многослойные структуры служат дифракционной решеткой для падающего света. При нормальном падении света в многослойной системе можно достичь до 40% пропускания, в зависимости от соотношения толщин меди и никеля. Таким образом, использование уже широко распространенных металлов в многослойной структуре оказывается решением для плазмонной интеграции. Поверхностные плазмоны играют роль в спектроскопии комбинационного рассеяния с усилением на поверхности и в объяснении аномалий в дифракции от металлических решеток (аномалия Вуда) и других явлениях. Резонанс поверхностных плазмонов используется биохимиками для изучения механизмов и кинетики связывания лигандов с рецепторами (т.е. связывания субстрата с ферментом). Многопараметрический резонанс поверхностных плазмонов можно использовать не только для измерения молекулярных взаимодействий, но и для определения свойств нанослоев или структурных изменений в адсорбированных молекулах, полимерных слоях или графене, например. Поверхностные плазмоны также могут наблюдаться в спектрах рентгеновского излучения металлов. Дисперсионное соотношение для поверхностных плазмонов в спектрах рентгеновского излучения металлов было получено (Harsh и Agarwal). В последнее время поверхностные плазмоны стали использоваться для управления цветом материалов. Это возможно, поскольку контроль формы и размера частиц определяет типы поверхностных плазмонов, которые могут быть возбуждены и распространяться в них. Это, в свою очередь, контролирует взаимодействие света с поверхностью. Эти эффекты иллюстрируются историческими витражами, украшающими средневековые соборы. Некоторые цвета витражей создаются металлическими наночастицами фиксированного размера, которые взаимодействуют с оптическим полем, придавая стеклу яркий красный цвет. В современной науке эти эффекты воспроизводятся как для видимого света, так и для микроволнового излучения. Значительная часть исследований проводится в микроволновом диапазоне, поскольку при этой длине волны поверхности материала и образцы могут быть изготовлены механически, так как размеры узоров обычно составляют несколько сантиметров. Создание эффектов поверхностных плазмонов в оптическом диапазоне требует изготовления поверхностей с элементами размером менее 400 нм. Это гораздо сложнее и стало возможным лишь недавно. Недавно было показано, что графен также может поддерживать поверхностные плазмоны, которые наблюдаются с помощью методов ближней инфракрасной оптической микроскопии и инфракрасной спектроскопии. Потенциальные области применения графеновой плазмоники в основном связаны с терагерцовыми и среднеинфракрасными частотами, такими как оптические модуляторы, фотодетекторы, биосенсоры.

Surface plasmons are those plasmons that are confined to surfaces and that interact strongly with light resulting in a polariton. They occur at the interface of a material exhibiting positive real part of their relative permittivity, i. e. dielectric constant, (e. g. vacuum, air, glass and other dielectrics) and a material whose real part of permittivity is negative at the given frequency of light, typically a metal or heavily doped semiconductors. In addition to opposite sign of the real part of the permittivity, the magnitude of the real part of the permittivity in the negative permittivity region should typically be larger than the magnitude of the permittivity in the positive permittivity region, otherwise the light is not bound to the surface (i. e. the surface plasmons do not exist) as shown in the famous book by Heinz Raether. At visible wavelengths of light, e. g. 632.8 nm wavelength provided by a He Ne laser, interfaces supporting surface plasmons are often formed by metals like silver or gold (negative real part permittivity) in contact with dielectrics such as air or silicon dioxide. The particular choice of materials can have a drastic effect on the degree of light confinement and propagation distance due to losses. Surface plasmons can also exist on interfaces other than flat surfaces, such as particles, or rectangular strips, v grooves, cylinders, and other structures. Many structures have been investigated due to the capability of surface plasmons to confine light below the diffraction limit of light. One simple structure that was investigated was a multilayer system of copper and nickel. Mladenovic et al. report the use of the multilayers as if its one plasmonic material. Oxidation of the copper layers is prevented with the addition of the nickel layers. It is an easy path the integration of plasmonics to use copper as the plasmonic material because it is the most common choice for metallic plating along with nickel. The multilayers serve as a diffractive grating for the incident light. Up to 40 percent transmission can be achieved at normal incidence with the multilayer system depending on the thickness ratio of copper to nickel. Therefore, the use of already popular metals in a multilayer structure prove to be solution for plasmonic integration. Surface plasmons can play a role in surface enhanced Raman spectroscopy and in explaining anomalies in diffraction from metal gratings (Wood's anomaly), among other things. Surface plasmon resonance is used by biochemists to study the mechanisms and kinetics of ligands binding to receptors (i. e. a substrate binding to an enzyme). Multi parametric surface plasmon resonance can be used not only to measure molecular interactions but also nanolayer properties or structural changes in the adsorbed molecules, polymer layers or graphene, for instance. Surface plasmons may also be observed in the X ray emission spectra of metals. A dispersion relation for surface plasmons in the X ray emission spectra of metals has been derived (Harsh and Agarwal). More recently surface plasmons have been used to control colors of materials. This is possible since controlling the particle's shape and size determines the types of surface plasmons that can be coupled into and propagate across it. This, in turn, controls the interaction of light with the surface. These effects are illustrated by the historic stained glass which adorn medieval cathedrals. Some stained glass colors are produced by metal nanoparticles of a fixed size which interact with the optical field to give glass a vibrant red color. In modern science, these effects have been engineered for both visible light and microwave radiation. Much research goes on first in the microwave range because at this wavelength, material surfaces and samples can be produced mechanically because the patterns tend to be on the order of a few centimeters. The production of optical range surface plasmon effects involves making surfaces which have features <400 nm. This is much more difficult and has only recently become possible to do in any reliable or available way. Recently, graphene has also been shown to accommodate surface plasmons, observed via near field infrared optical microscopy techniques and infrared spectroscopy. Potential applications of graphene plasmonics mainly addressed the terahertz to midinfrared frequencies, such as optical modulators, photodetectors, biosensors.

Возможные применения

На положение и интенсивность пиков поглощения и излучения плазмона влияет молекулярная адсорбция, что может быть использовано в молекулярных сенсорах. Например, был создан прототип полностью рабочего устройства для обнаружения казеина в молоке, основанного на регистрации изменения абсорбции золотого слоя. Локализованные поверхностные плазмоны металлических наночастиц могут применяться для определения различных типов молекул, белков и т.д. Плазмоны рассматриваются как способ передачи информации на компьютерных чипах, поскольку они способны поддерживать гораздо более высокие частоты (вплоть до 100 ТГц, в то время как обычные провода становятся сильно затухающими уже в десятках ГГц). Однако, для практического применения плазмонной электроники необходимо создать плазмонный усилитель, аналогичный транзистору, который называется плазмонистром. Плазмоны также предлагались для высокоразрешающей литографии и микроскопии благодаря их чрезвычайно малым длинам волн; оба этих применения успешно продемонстрированы в лабораторных условиях. Наконец, поверхностные плазмоны обладают уникальной способностью концентрировать свет в очень малых объемах, что может открыть множество новых возможностей. Поверхностные плазмоны крайне чувствительны к свойствам материалов, на которых они распространяются. Это привело к их использованию для измерения толщины монослоев на коллоидных пленках, а также для анализа и количественной оценки событий связывания белков. Компании, такие как Biacore, уже коммерциализировали приборы, работающие по этим принципам. Оптические поверхностные плазмоны исследуются с целью улучшения косметических средств компаниями L'Oréal и другими. В 2009 году корейская исследовательская группа разработала способ значительно повысить эффективность органических светоизлучающих диодов (OLED) с использованием плазмонов. Группа европейских исследователей под руководством IMEC начала работу по повышению эффективности и снижению стоимости солнечных элементов путем внедрения металлических наноструктур (использующих плазмонные эффекты), способных усиливать поглощение света в различных типах солнечных элементов: кристаллический кремний (c Si), высокоэффективные III-V, органические и сенсибилизированные красителями. Однако, для оптимальной работы плазмонных фотоэлектрических устройств необходимы ультратонкие прозрачные проводящие оксиды. Были продемонстрированы полноцветные голограммы, созданные с использованием плазмоники.

The position and intensity of plasmon absorption and emission peaks are affected by molecular adsorption, which can be used in molecular sensors. For example, a fully operational device detecting casein in milk has been prototyped, based on detecting a change in absorption of a gold layer. Localized surface plasmons of metal nanoparticles can be used for sensing different types of molecules, proteins, etc. Plasmons are being considered as a means of transmitting information on computer chips, since plasmons can support much higher frequencies (into the 100 THz range, whereas conventional wires become very lossy in the tens of GHz). However, for plasmon based electronics to be practical, a plasmon based amplifier analogous to the transistor, called a plasmonstor, needs to be created. Plasmons have also been proposed as a means of high resolution lithography and microscopy due to their extremely small wavelengths; both of these applications have seen successful demonstrations in the lab environment. Finally, surface plasmons have the unique capacity to confine light to very small dimensions, which could enable many new applications. Surface plasmons are very sensitive to the properties of the materials on which they propagate. This has led to their use to measure the thickness of monolayers on colloid films, such as screening and quantifying protein binding events. Companies such as Biacore have commercialized instruments that operate on these principles. Optical surface plasmons are being investigated with a view to improve makeup by L'Oréal and others. In 2009, a Korean research team found a way to greatly improve organic light emitting diode efficiency with the use of plasmons. A group of European researchers led by IMEC has begun work to improve solar cell efficiencies and costs through incorporation of metallic nanostructures (using plasmonic effects) that can enhance absorption of light into different types of solar cells: crystalline silicon (c Si), high performance III V, organic, and dye sensitized. However, for plasmonic photovoltaic devices to function optimally, ultra thin transparent conducting oxides are necessary. Full color holograms using plasmonics have been demonstrated.

Плазмон-солитон

Плазмонный солитон математически представляет собой гибридное решение нелинейного амплитудного уравнения, например, для нелинейной металлической среды, учитывающее как плазмонный режим, так и солитонное решение. Солиплазмонный резонанс, в свою очередь, рассматривается как квазичастица, объединяющая поверхностный плазмонный режим с пространственным солитоном в результате резонансного взаимодействия. Для достижения одномерного солитонного распространения в плазмонном волноводе, при условии локализации поверхностных плазмонов на границе раздела, необходимо, чтобы поперечное распределение огибающей поля оставалось неизменным. Волновод на основе графена является подходящей платформой для поддержания гибридных плазмонных солитонов благодаря большой эффективной площади и высокой нелинейности. Например, распространение одиночных волн в гетероструктуре на основе графена может проявляться в виде солитонов высшего порядка или дискретных солитонов, возникающих из-за конкуренции между дифракцией и нелинейностью.