Плазмон (Hlg[bku)

Плазмон
Плазмон
Состав	Квазичастица
Классификация	Поверхностные плазмоны, плазмонный резонанс

В физике, плазмо́н — квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа^[1].

Происхождение понятия

Термин «плазмон» был введён в 1952 году американскими физиками Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом^[2]^[3] как гамильтониан дальних электрон-электронных корреляций^[4]^[5].

Поскольку плазмоны — это квантованные классические плазменные колебания, большинство их свойств могут быть выведены напрямую из уравнений Максвелла^[6].

Объяснение

Плазмоны в значительной мере определяют оптические свойства металлов и полупроводников. Электромагнитное излучение с частотой ниже плазменной частоты материала хорошо отражается от него, потому что свободные электроны смогут колебаться с такой частотой в такт с колебаниями электромагнитного поля этого излучения, и будут экранировать его. Но при частоте выше плазменной электроны уже не могут колебаться достаточно быстро, и электромагнитное излучение такой высокой частоты может проникать в толщу металла или полупроводника, проходить сквозь него или поглощаться им.

Плазменные частоты большинства чистых металлов лежат в ультрафиолетовой области спектра, а во всём видимом диапазоне эти металлы одинаково хорошо отражают излучение, и потому выглядят бесцветными и блестящими. Но медь и золото имеют электронные переходы на частотах видимого спектра. На них свет сильнее поглощается металлом, чем на других частотах видимого диапазона, из-за чего медь и золото в отражённом свете выглядят окрашенными^[7]^[8].

В полупроводниках плазменная частота электронов валентной зоны обычно находится в дальнем ультрафиолетовом диапазоне, но межуровневые электронные переходы могут быть с энергиями фотонов видимого света. Такой полупроводник также будет выборочно поглощать частоты видимого света и выглядеть цветным^[9]^[10]. У высоколегированных полупроводников в форме наночастиц плазменная частота может быть в ближнем или среднем инфракрасном диапазоне^[11]^[12].

Энергию плазмона можно оценить в модели почти свободных электронов как:

E_{p}=\hbar \omega _{p}=\hbar e{\sqrt {\frac {n}{m\varepsilon _{0}}}},

где n — плотность валентных электронов, e — элементарный заряд, m — масса электрона и ε₀ — проницаемость вакуума.

Поверхностные плазмоны (плазмоны, ограниченные поверхностями) сильно взаимодействуют со светом, приводя к образованию поляритонов. Они играют роль в поверхностном усилении рамановского рассеяния света и в объяснении аномалий в дифракции металлов. Поверхностный плазмонный резонанс используется в биохимии, чтобы определять присутствие молекул на поверхности.

Локализованный поверхностный плазмон присутствует в мелких металлических частицах (наночастицах), таких как золото или серебро. При достаточно малых размерах частиц (диаметр частицы < длина волны входящего электромагнитного излучения), она может быть рассмотрена как колеблющийся диполь. Поглощённая энергия электромагнитного излучения может существенно нагревать наночастицы^[13].

Возможное использование

Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации в компьютерных чипах, так как провода для плазмонов могут быть намного тоньше, чем обычные провода, и могут поддерживать намного более высокие частоты (в режиме 100 ТГц, в то время как обычные провода обладают большими потерями при 10 ГГц). Они были также предложены как средство для литографии и микроскопии высокого разрешения из-за их чрезвычайно малых длин волн. Оба из этих применений с успехом были продемонстрированы в лабораториях.^{[источник не указан 2717 дней]}

Также плазмоны можно использовать для генерации излучения в структурах, называемых спазерами.

Примечания

↑ Слюсар, В.И. Наноантенны: подходы и перспективы. - C. 58 - 65. (неопр.) Электроника: наука, технология, бизнес. – 2009. - № 2. C. 63 (2009). Дата обращения: 3 июня 2021. Архивировано 3 июня 2021 года.
↑ Pines, David; Bohm, David. A Collective Description of Electron Interactions: II. Collective vs Individual Particle Aspects of the Interactions (англ.) // Physical Review. — 1952. — 15 January (iss. 85). — P. 338.
↑ Sarid, Dror; Challener, William. Modern Introduction to Surface Plasmons: Theory, Mathematica Modeling, and Applications. — Cambridge University Press, 2010. — P. 1. — ISBN 978-0-521-76717-0.
↑ Bohm, David; Pines, David. Coulomb Interactions in a Degenerate Electron Gas (англ.) // Physical Review. — 1953. — 1 November (iss. 92). — P. 609–625. — doi:10.1103/physrev.92.609. — Bibcode: 1953PhRv...92..609B.
↑ Shevchik N. J. Alternative derivation of the Bohm-Pines theory of electron-electron interactions (англ.) // J. Phys. C: Solid State Phys.. — 1974. — Vol. 7. — P. 3930–3936. — doi:10.1088/0022-3719/7/21/013. — Bibcode: 1974JPhC....7.3930S.
↑ Jackson, J. D. 10.8 Plasma Oscillations // Classical Electrodynamics. — 2nd. — New York: John Wiley & Sons, 1975. — ISBN 978-0-471-30932-1.
↑ Burdick, Glenn. Energy Band Structure of Copper (англ.) // Physical Review. — 1963. — Vol. 129. — P. 138–150. — doi:10.1103/PhysRev.129.138. — Bibcode: 1963PhRv..129..138B.
↑ S. Zeng. A review on functionalized gold nanoparticles for biosensing applications (англ.) // Plasmonics. — 2011. — Vol. 6, iss. 3. — P. 491–506. — doi:10.1007/s11468-011-9228-1.
↑ Kittel, C. Introduction to Solid State Physics. — 8th. — John Wiley & Sons, 2005. — P. 403.
↑ Böer, K. W. Survey of Semiconductor Physics. — 2nd. — John Wiley & Sons, 2002. — Vol. 1. — P. 525.
↑ Liu, Xin; Swihart, Mark T. Heavily-doped colloidal semiconductor and metal oxide nanocrystals: an emerging new class of plasmonic nanomaterials (англ.) // Chem. Soc. Rev.. — 2014. — Vol. 43. — P. 3908–3920. — doi:10.1039/c3cs60417a.
↑ Pi, Xiaodong; Delerue, Christophe. Tight-binding calculations of the optical response of optimally P-doped Si nanocrystals: a model for localized surface plasmon resonance (англ.) // Physical Review Letters. — 2013. — Vol. 111. — P. 177402. — doi:10.1103/PhysRevLett.111.177402. — Bibcode: 2013PhRvL.111q7402P. — PMID 24206519.
↑ doi:10.1016/S1748-0132(07)70017-8 (неопр.). Дата обращения: 20 июля 2010. Архивировано 10 июля 2010 года.

Ссылки

В Викисловаре есть статья «плазмон»

[1] Слюсар, В.И. Наноантенны: подходы и перспективы. - C. 58 - 65. (неопр.) Электроника: наука, технология, бизнес. – 2009. - № 2. C. 63 (2009). Дата обращения: 3 июня 2021. Архивировано 3 июня 2021 года.

[2] Pines, David; Bohm, David. A Collective Description of Electron Interactions: II. Collective vs Individual Particle Aspects of the Interactions (англ.) // Physical Review. — 1952. — 15 January (iss. 85). — P. 338.

[3] Sarid, Dror; Challener, William. Modern Introduction to Surface Plasmons: Theory, Mathematica Modeling, and Applications. — Cambridge University Press, 2010. — P. 1. — ISBN 978-0-521-76717-0.

[4] Bohm, David; Pines, David. Coulomb Interactions in a Degenerate Electron Gas (англ.) // Physical Review. — 1953. — 1 November (iss. 92). — P. 609–625. — doi:10.1103/physrev.92.609. — Bibcode: 1953PhRv...92..609B.

[5] Shevchik N. J. Alternative derivation of the Bohm-Pines theory of electron-electron interactions (англ.) // J. Phys. C: Solid State Phys.. — 1974. — Vol. 7. — P. 3930–3936. — doi:10.1088/0022-3719/7/21/013. — Bibcode: 1974JPhC....7.3930S.

[electro-6] Jackson, J. D. 10.8 Plasma Oscillations // Classical Electrodynamics. — 2nd. — New York: John Wiley & Sons, 1975. — ISBN 978-0-471-30932-1.

[7] Burdick, Glenn. Energy Band Structure of Copper (англ.) // Physical Review. — 1963. — Vol. 129. — P. 138–150. — doi:10.1103/PhysRev.129.138. — Bibcode: 1963PhRv..129..138B.

[8] S. Zeng. A review on functionalized gold nanoparticles for biosensing applications (англ.) // Plasmonics. — 2011. — Vol. 6, iss. 3. — P. 491–506. — doi:10.1007/s11468-011-9228-1.

[9] Kittel, C. Introduction to Solid State Physics. — 8th. — John Wiley & Sons, 2005. — P. 403.

[10] Böer, K. W. Survey of Semiconductor Physics. — 2nd. — John Wiley & Sons, 2002. — Vol. 1. — P. 525.

[11] Liu, Xin; Swihart, Mark T. Heavily-doped colloidal semiconductor and metal oxide nanocrystals: an emerging new class of plasmonic nanomaterials (англ.) // Chem. Soc. Rev.. — 2014. — Vol. 43. — P. 3908–3920. — doi:10.1039/c3cs60417a.

[12] Pi, Xiaodong; Delerue, Christophe. Tight-binding calculations of the optical response of optimally P-doped Si nanocrystals: a model for localized surface plasmon resonance (англ.) // Physical Review Letters. — 2013. — Vol. 111. — P. 177402. — doi:10.1103/PhysRevLett.111.177402. — Bibcode: 2013PhRvL.111q7402P. — PMID 24206519.

[13] :10.1016/S1748-0132(07)70017-8 (неопр.). Дата обращения: 20 июля 2010. Архивировано 10 июля 2010 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

Квазичастицы (Список квазичастиц)
Элементарные	Магнон Фонон Ротон Плазмон Примесон Электрон Дырка Орбитон Флуктуон Фазон Холон и спинон Квазимонополь
Составные	Дроплетон Трион Поляритон Полярон Биротон Куперовская пара Экситон Ванье — Мотта Френкеля Биэкситон Солитон ФК-солитон Солитоны в плазме Ионно-звуковые Магнитозвуковые Ленгмюровские Солитон Давыдова
Классификации	Фермионы Бозоны Энионы Гипотетические: Плектоны