Плазмоника представляет собой направление физики конденсированного состояния и нанофотоники, изучающее коллективные колебания электронной плотности в материалах и их взаимодействие с электромагнитным излучением. В основе лежит феномен плазмонных возбуждений — когерентных колебаний электронного газа, локализованных на поверхности или в объёме проводника. В отличие от индивидуальных электронных переходов, плазмонные моды характеризуются коллективным поведением, что обуславливает их уникальные оптические и электронные свойства.
Ключевым понятием является плазменная частота:
$$ \omega_p = \sqrt{\frac{n e^2}{\varepsilon_0 m^*}}, $$
где n — концентрация электронов, e — заряд электрона, m* — эффективная масса, ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума. Для частот излучения ниже ωp металл ведёт себя как отражатель, а выше — становится прозрачным.
Объёмные плазмоны. Возникают при возбуждении электронного газа внутри материала. Их энергия определяется параметрами носителей заряда и мало зависит от геометрии образца. Они наблюдаются в спектроскопии потерь энергии электронов (EELS) и рентгеновских исследованиях.
Поверхностные плазмоны. Локализуются на границе металл–диэлектрик и описываются условиями сопряжения электромагнитного поля с зарядовыми колебаниями на поверхности. Поверхностные плазмоны поляритоны (ППП) распространяются вдоль границы и подчиняются дисперсионному соотношению:
$$ k_{SPP} = \frac{\omega}{c} \sqrt{\frac{\varepsilon_m \varepsilon_d}{\varepsilon_m + \varepsilon_d}}, $$
где εm и εd — диэлектрические функции металла и окружающей среды.
Локализованные поверхностные плазмоны. Возникают в наночастицах металлов при ограничении размерности, когда плазмонные моды оказываются дискретными. Эти резонансы зависят от формы и размеров наночастиц, что используется в сенсорах и нанофотонных устройствах.
Наиболее исследованными являются благородные металлы (золото, серебро), обладающие низким уровнем потерь в видимом и ближнем ИК-диапазоне. Однако активное внимание уделяется альтернативным материалам:
Поскольку импульс фотона не совпадает с импульсом поверхностного плазмона, для их эффективного возбуждения необходимы дополнительные механизмы:
Особенностью плазмонных мод является сильная локализация электромагнитного поля на субволновых масштабах. Это ведёт к увеличению плотности оптических состояний и усилению свет-материального взаимодействия. Дисперсионные зависимости плазмонов имеют нелинейный характер, что позволяет управлять скоростью распространения и степенью локализации.
Несмотря на уникальные свойства, плазмоника сталкивается с проблемой затухания возбуждений, вызванного:
Для минимизации потерь разрабатываются новые материалы с низкой диссипацией, используются гибридные системы металл–диэлектрик и методы охлаждения электронного газа.
Сенсоры. Плазмонные резонансы чувствительны к изменению диэлектрической среды, что позволяет создавать биосенсоры и химические детекторы с высоким пределом обнаружения.
Нанофотонные устройства. Локализация света на наноуровне открывает путь к созданию сверхкомпактных лазеров (спазеров), модуляторов и фотонных интегральных схем.
Энергетика. Плазмоника используется для усиления светопоглощения в солнечных элементах, а также для фототермического преобразования энергии.
Квантовые технологии. Сильная связь плазмонов с квантовыми эмиттерами позволяет реализовывать гибридные системы для квантовой информации и нанолазеров.
Медицинские технологии. Золотые наночастицы, возбуждаемые локализованными плазмонами, применяются в фототермальной терапии, а также в контрастировании биологических изображений.
Современные исследования направлены на поиск материалов с низкими потерями, создание топологических плазмонных состояний, интеграцию плазмоники с двумерными материалами и развитие нелинейной плазмоники. Отдельное направление связано с динамическим управлением плазмонами с помощью внешних полей, электрооптических и магнитных эффектов.