Într-un metal , un plasmon este o oscilație cu plasmă cuantizată sau o cuantă cu oscilație cu plasmă .
Plasmonilor este un quasiparticle care rezultă din cuantizarea de frecvență cu plasmă , la fel ca fotonii si fononului sunt cuantificări de vibrații luminoase și mecanice, respectiv.
Astfel, plasmonii sunt oscilații colective ale unui gaz de electroni, de exemplu la frecvențe optice.
Cuplarea unui plasmon și a unui foton creează o altă cvasiparticulă numită plasmă polariton .
Deoarece plasmonii sunt definiți ca cuantificarea oscilațiilor plasmatice clasice, majoritatea proprietăților lor pot fi calculate direct din ecuațiile lui Maxwell .
Oscilațiile plasmatice ale unui metal pot fi înțelese în cadrul unei teorii clasice.
Presupunând că ionii sunt fixi și că electronii se pot mișca împreună și aceasta este poziția centrului de masă al electronilor față de centrul de masă al ionilor, atunci când există un exces de sarcină pozitivă de unul partea sistemului (presupusă a fi o dimensiune finită în direcția paralelă cu x) și un exces de sarcină negativă pe partea opusă. Aceste sarcini în exces constituie o forță de refacere care tinde să se reducă la zero.
Cu toate acestea, dacă nu există disipare , energia mecanică totală fiind conservată, centrul de masă al electronilor va oscila la o pulsație numită „ pulsație plasmatică ” .
În cazul în care presupunem că metalul este limitat de-a lungul direcției și infinit în direcțiile perpendiculare, putem calcula pulsația plasmatică folosind teorema lui Gauss pentru a calcula câmpul electric creat de sarcina în exces.
Constatăm că excesul de sarcini creează un câmp electric :, unde este densitatea electronilor,
ceea ce conduce la o plasmă pulsatorie: .
Pentru a ține cont de caracterul cuantic al dinamicii electronilor, se utilizează aproximarea fazei aleatorii și teoria răspunsului liniar pentru a calcula constanta dielectrică .
Oscilațiile plasmatice se obțin atunci când calculul cuantic returnează frecvența clasică pentru oscilațiile plasmatice. De asemenea, arată că există oscilații de plasmă pentru un vector de undă , cu:
unde este viteza Fermi a electronilor. Factorul provine din aproximarea fazei aleatorii. Aproximările mai precise oferă corecții factorului din față .
Oscilațiile plasmatice se comportă ca niște particule cuantificate numite plasmoni.
Deoarece energiile acestor particule sunt de ordinul de la eV în metale, nu există plasmoni într-un metal la echilibru. Cu toate acestea, este posibil să se excite modurile de plasmoni folosind electroni sau raze X pentru a bombarda un film metalic suficient de subțire. Electronii sau fotonii X pot renunța la energie către plasmoni, ceea ce permite detectarea lor.
Până acum, am vorbit doar despre cazul tridimensional. Cu toate acestea, este posibil să se producă gaze electronice bidimensionale (de exemplu cu interfețe sau în puțuri cuantice AlAs / GaAs) sau unidimensionale (fire cuantice). În cazul bidimensional, dispersia plasmonilor este de formă și în cazul unidimensional al formei .
Bazat pe vechile principii ale rezonanței plasmonului de suprafață , dar cu tehnici disponibile încă din anii 1980, senzorii și biosenzorii utilizează fenomenul rezonanței plasmonului de suprafață în domeniul detectării chimice și biologice. Principiul utilizat este că, în condiții bune, reflectivitatea unui film subțire de metal este foarte sensibilă la variațiile optice din mijlocul uneia dintre laturile sale. Acest lucru se datorează faptului că plasmonii de suprafață sunt sonde sensibile la condițiile limită. Acest efect poate fi utilizat în mai multe moduri, inclusiv pentru detectarea gazului sau a peliculei subțiri. De exemplu, este, de asemenea, posibil să se detecteze, aproape în timp real, prezența obiectelor biologice (de exemplu citocrom ) sau bacterii patogene vii, să se studieze proprietățile fizice și biologice ale membranelor proteice și să se detecteze pesticidele.
Localizarea și intensitatea vârfurilor de absorbție și emisie ale plasmonilor sunt afectate de adsorbția moleculară. Acest fapt poate fi folosit la senzori moleculari. De exemplu, există un prototip operațional pentru detectarea cazeinei în lapte, bazat pe detectarea modificărilor în absorbția unui strat de aur.
Plasmonii de suprafață ai nanoparticulelor metalice pot fi folosiți pentru a detecta diferite tipuri de molecule ( proteine etc.). Cercetarea fundamentală este de asemenea interesată, de exemplu, de interacțiunea plasmonilor cu nanostructurile complexe.
Plasmonii fac posibilă transmiterea informațiilor pe cipurile de computer, cu frecvențe potențial mult mai mari (în jur de 100 THz). Pentru electronica bazată pe plasmon, încercăm să îmbunătățim analogul așa- numitului tranzistor plasmonster deja inventat.
În martie 2010 , S. Assefa și echipa sa de la IBM au raportat crearea de noi fotodetectori ultra-rapid și în liniște ( fotodetectori de avalanșă nanofotonii) deschizând calea pentru computerul nanofotonic exaflop. „În prezent lucrăm la integrarea tuturor dispozitivelor noastre pe un microprocesor alături de tranzistoare.”
Dintre fotodetectori foarte mici (nanometri) ar putea fi ultimul element al „ instrumentelor nanofotonice de cutie ” pentru a produce cipuri și computere la performanțe ridicate.
Deoarece plasmonii de suprafață sunt sensibili la proprietățile materialelor pe care se propagă, au fost folosiți pentru a măsura grosimea filmelor monostrat pe coloid .
Auto-asamblarea programabilă a acizilor nucleici poate fi fabricată cu obiecte personalizate de precizie și plasmoni nanometrici permiși (laborator) îmbunătățesc construcția nanostructurilor metalice prin litografie la rezoluție înaltă sau nano-litografie sau litografie asistată de ADN cunoscut sub numele de DALI). Microscopul poate profita de asemenea de lungime de unda lor extrem de mici. Astfel, producția de nanostructuri metalice având un răspuns plasmon chiral și arc în formă de nanoantene are o suprafață îmbunătățită prin spectroscopie Raman . Poate că DALI ar putea permite într-o zi producția la scară largă de nanostructuri metalice cu caracteristici plasmonice programate.
În cele din urmă, plasmonii de suprafață au capacitatea unică de a limita lumina în dimensiuni foarte mici. Acest lucru ar putea inspira noi aplicații.
În 2009, cercetătorii coreeni au sporit eficiența diodelor organice care emit lumină folosind aceste plasmoni.
Un proiect european de 3 ani numit „PRIMA” ( Rezonanță plasmonică pentru îmbunătățirea absorbției celulelor solare ) a permis cercetătorilor conduși de IMEC să îmbunătățească eficiența celulelor solare și să reducă costurile acestora prin încorporarea lor a nanostructurilor metalice folosind efecte plasmonice. Acest lucru se aplică diferitelor tipuri de celule solare: siliciu cristalin (c-Si), III-V de înaltă performanță, celule pigmentare organice, fotosensibile .