V kovu je plasmon kvantovaná plazmová oscilace nebo plazmové oscilační kvantum .
Plasmonové je kvazičásticových vyplývající z kvantování z plazmy frekvence , stejně jako foton a fonon jsou kvantifikace světelných a mechanických vibrací, resp.
Plazmony jsou tedy kolektivní oscilace elektronového plynu, například při optických frekvencích.
Vazba plasmonu a fotonu vytváří další kvazičástice zvanou polaritonová plazma .
Vzhledem k tomu, že plazmony jsou definovány jako kvantifikace klasických plazmatických oscilací, lze většinu jejich vlastností vypočítat přímo z Maxwellových rovnic .
Plazmové oscilace kovu lze chápat v rámci klasické teorie.
Předpokládáme-li, že ionty jsou pevné a že elektrony se mohou pohybovat jako blok, jedná se o polohu těžiště elektronů vzhledem k těžišti iontů, když je přebytek kladný náboj jedné strany systému (předpokládá se, že je to konečná dimenze ve směru rovnoběžném s x) a přebytek záporného náboje na opačné straně. Tato nadměrná zatížení představují vratnou sílu, která má tendenci klesat k nule.
Pokud však nedojde k rozptýlení , bude zachována celková mechanická energie , těžiště elektronů bude oscilovat pulzací zvanou „ pulzace plazmou “ .
V případě, že předpokládáme, že kov je omezen ve směru a nekonečný v kolmých směrech, můžeme vypočítat pulzaci plazmy pomocí Gaussovy věty pro výpočet elektrického pole vytvořeného přebytečným nábojem.
Zjistili jsme, že přebytečné náboje vytvářejí elektrické pole :, kde je hustota elektronů,
což vede k pulsujícího plazmatu: .
Pro zohlednění kvantového charakteru elektronové dynamiky se k výpočtu dielektrické konstanty používá aproximace náhodných fází a teorie lineární odezvy .
Plazmové oscilace se získají, když kvantový výpočet vrátí klasickou frekvenci pro plazmové oscilace. Ukazuje také, že existují plazmové oscilace pro vlnový vektor s:
kde je Fermiho rychlost elektronů. Faktor pochází z aproximace náhodné fáze. Přesnější aproximace poskytují korekce faktoru vpředu .
Plazmové oscilace se chovají jako kvantifikované částice zvané plazmony.
Vzhledem k tomu, že energie z těchto částic jsou řádově na eV v kovech, jsou v kovové při rovnováze žádné plazmony. Je však možné excitovat režimy plazmonů pomocí elektronů nebo rentgenových paprsků k bombardování dostatečně tenkého kovového filmu. Elektrony nebo fotony X se mohou vzdát energie plazmonům, což umožňuje jejich detekci.
Zatím jsme mluvili pouze o trojrozměrném případě. Je však možné vyrábět dvourozměrné (například s rozhraními nebo v kvantových jamkách AlAs / GaAs) nebo jednorozměrné (kvantové dráty) elektronové plyny . V dvourozměrném případě má disperze plazmonů tvar a v jednorozměrném případě tvar .
Senzory a biosenzory založené na starých principech rezonance povrchového plazmonu , ale s technikami dostupnými od 80. let, využívají fenomén povrchové plazmonové rezonance v oblasti chemické a biologické detekce. Používá se princip, že za dobrých podmínek je odrazivost tenkého kovového filmu velmi citlivá na optické variace uprostřed jedné z jeho stran. To je způsobeno skutečností, že povrchové plazmony jsou sondy citlivé na okrajové podmínky. Tento efekt lze použít několika způsoby, včetně detekce plynů nebo tenkých vrstev. Například je také možné detekovat téměř v reálném čase přítomnost biologických předmětů ( např. Cytochrom ) nebo živých patogenních bakterií, studovat fyzikální a biologické vlastnosti proteinových membrán a detekovat pesticidy.
Umístění a intenzita absorpčních a emisních špiček plazmonů jsou ovlivněny molekulární adsorpcí . Tuto skutečnost lze dobře využít v molekulárních senzorech. Například existuje funkční prototyp pro detekci kaseinu v mléce založený na detekci změn absorpce zlaté vrstvy.
Povrchové plazmony kovových nanočástic mohou být použity k detekci různých typů molekul ( proteinů atd.). Základní výzkum se také zajímá například o interakci plazmonů se složitými nanostrukturami.
Plazmy umožňují přenášet informace na počítačových čipech s potenciálně mnohem vyššími frekvencemi (kolem 100 THz). U elektroniky založené na plazmonu se snažíme vylepšit analogii již vyvinutého takzvaného plazmonsterového tranzistoru .
V březnu 2010 S. Assefa a jeho tým v IBM ohlásili vytvoření nových fotodetektorů ultrarychlých a tichých ( nanofotonické lavinové fotodetektory ), které otevírají cestu pro nanofotonický exaflop počítač. „V současné době pracujeme na integraci všech našich zařízení do mikroprocesoru vedle tranzistorů.“
Z fotodetektorů velmi malý (nanometr) by mohl být posledním prvkem „ boxových nanofotonických nástrojů “ k výrobě čipů a počítačů s vysokým výkonem.
Vzhledem k tomu, že povrchové plazmony jsou citlivé na vlastnosti materiálů, na kterých se množí, byly použity k měření tloušťky jednovrstvých filmů na koloidu .
Programovatelné samosestavování nukleových kyselin lze vyrobit s přesnými zakázkovými objekty a nanometrické plazmony umožňující (laboratorní) zlepšují konstrukci kovových nanostruktur litografií na vysoké rozlišení nebo nanolitografií nebo litografií za pomoci DNA známé jako DALI). Mikroskop mohou také využít jejich velmi malé vlnové délce. Proto je výroba kovových nanostruktur, které mají odezvu plazmonové chirální a nanoantennas tvaru luk má Ramanovy spektroskopie zlepšený povrch. Možná by DALI jednoho dne umožnil rozsáhlou výrobu kovových nanostruktur s naprogramovanými plazmonickými charakteristikami.
A konečně, povrchové plazmony mají jedinečnou schopnost omezovat světlo ve velmi malých rozměrech. To by mohlo inspirovat nové aplikace.
V roce 2009 korejští vědci pomocí těchto plazmonů zvýšili účinnost organických diod emitujících světlo .
Tříletý evropský projekt s názvem „PRIMA“ ( Plasmon Resonance for IMproving the Absorption of solar cells ) umožnil vědcům vedeným IMEC zlepšit účinnost solárních článků a snížit jejich náklady začleněním kovových nanostruktur využívajících plazmonické účinky. To platí pro různé typy solárních článků: krystalický křemík (c-Si), vysoce výkonný III-V, organické, fotocitlivé pigmentové články .