Плазмонные структуры представляют собой материалы и устройства, способные усиливать и направлять электромагнитное поле на субволновых масштабах за счет коллективных колебаний электронов, называемых поверхностными плазмонами. Эти колебания возникают на границе металла и диэлектрика и характеризуются высокой локализацией энергии.
Ключевой параметр, определяющий свойства плазмонных структур, — это плазмонная частота ωp, которая зависит от концентрации свободных электронов n и эффективной массы m* электрона:
$$ \omega_p = \sqrt{\frac{n e^2}{\varepsilon_0 m^*}} $$
где e — элементарный заряд, а ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума. Вблизи этой частоты взаимодействие света с электронами становится резонансным, что приводит к сильному усилению локальных полей и появлению необычных оптических эффектов.
Нанопроволоки и наночастицы: Известны как локализованные плазмонные резонаторы. Они способны концентрировать электромагнитное поле в нанометровых объемах, создавая высокую интенсивность вблизи поверхности. Формирование резонанса зависит от геометрии частиц и их материала.
Плазмонные волноводы: Используются для переноса света на расстояния меньше длины волны. Они позволяют преодолевать дифракционный предел, обеспечивая сверхкомпактные оптические схемы.
Металлические нанорешетки и решеточные структуры: Такие системы проявляют коллективные резонансы, где взаимодействие между отдельными наноструктурами приводит к узким спектральным линиям и сильной селективности поглощения и излучения.
Метаматериалы — это искусственные структуры, свойства которых определяются не составным материалом, а его геометрической организацией. Плазмонные метаматериалы создаются путем интеграции металлических наноструктур, обеспечивая отрицательный показатель преломления или аномальную дисперсию.
Существуют несколько способов эффективного возбуждения поверхностных плазмонов:
Одним из главных ограничений плазмонных систем являются потери в металле, обусловленные кулоновским рассеянием и взаимодействием с фононами. Временная динамика плазмонного возбуждения имеет субпико- и аттосекундные масштабы, что позволяет использовать эти структуры для изучения крайне быстрых процессов в веществах.
$$ \tau_{\text{дек}} \sim \frac{1}{\gamma} $$
где γ — коэффициент затухания, связанный с потерями энергии в металле. Современные исследования направлены на снижение этих потерь путем использования низкорассеивающих металлов (золото, серебро) и структур с ультратонкой геометрией.
На аттосекундных временных масштабах возможно:
Эти возможности делают плазмонные структуры и метаматериалы ключевыми элементами современной нанофотоники и аттосекундной физики, открывая новые горизонты для исследования ультрабыстрых процессов в материи и управления светом на наноуровне.