Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) — это электромагнитные волны, локализованные на границе раздела металла и диэлектрика, возникающие вследствие коллективных колебаний электронов металла (плазмонов), которые связаны с электромагнитным полем (поляритонов). Эти квазичастицы представляют собой гибрид фотона и поверхностного плазмона, обеспечивая сильное взаимодействие света с электронной системой на поверхности.
Важнейшая особенность ППП — их распространение строго вдоль поверхности с экспоненциальным затуханием электромагнитного поля в обе среды: металлической и диэлектрической. Это свойство позволяет концентрировать энергию электромагнитного излучения на масштабах существенно меньших длины волны света.
Для возникновения ППП необходимо выполнение определённых условий, связанных с диэлектрическими функциями обеих сред.
Пусть диэлектрическая функция металла зависит от частоты как εm(ω), а диэлектрическая функция окружающей среды (диэлектрика) — εd, обычно положительна и практически не зависит от частоты в интересующем диапазоне.
Поверхностные плазмон-поляритоны возникают на границе, если
Re(εm(ω)) < −εd,
где Re(εm(ω)) — действительная часть диэлектрической функции металла. Это условие обеспечивает отрицательное значение суммарного поляризационного отклика и возникает в металлическом отражении в ближней инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Рассмотрим плоскую границу раздела между металлом и диэлектриком. Волна ППП распространяется в плоскости границы, например вдоль оси x, с волновым вектором kx. Компоненты волнового вектора в перпендикулярных средах — kz(m) в металле и kz(d) в диэлектрике — комплексные и определяются через уравнения Максвелла и граничные условия.
Основное дисперсионное соотношение для ППП имеет вид:
$$ k_{x} = k_0 \sqrt{\frac{\varepsilon_m(\omega) \varepsilon_d}{\varepsilon_m(\omega) + \varepsilon_d}}, $$
где $k_0 = \frac{\omega}{c}$ — волновое число в вакууме.
Из этого выражения следует несколько важных особенностей:
Волновое число ППП всегда больше волнового числа свободного света в диэлектрике: $k_x > k_0 \sqrt{\varepsilon_d}$. Это означает, что плоский световой луч не может непосредственно возбуждать ППП из-за несоответствия волновых чисел.
Фазовая скорость ППП меньше скорости света в диэлектрике.
При приближении частоты к плазменной частоте металла дисперсионная кривая стремится к асимптоте.
Диэлектрическую функцию металлов в оптическом диапазоне часто аппроксимируют с помощью модели Друде:
$$ \varepsilon_m(\omega) = \varepsilon_{\infty} - \frac{\omega_p^2}{\omega(\omega + i\gamma)}, $$
где
ε∞ — высокочастотная диэлектрическая постоянная (учитывающая межзонные переходы),
ωp — плазменная частота свободных электронов металла,
γ — параметр затухания, связанный с рассеянием электронов.
Эта модель позволяет достаточно точно описать поведение диэлектрической функции в широком диапазоне частот.
Электромагнитное поле поверхностных плазмон-поляритонов характеризуется сильной локализацией вблизи поверхности. В обеих средах амплитуда поля затухает экспоненциально по нормали к поверхности:
E(z) ∝ e−κi|z|,
где
$$ \kappa_i = \sqrt{k_x^2 - \varepsilon_i k_0^2}, $$
а индекс i = m, d соответствует металлу и диэлектрику.
Длина проникновения поля в диэлектрик может составлять от нескольких до сотен нанометров, что значительно меньше длины волны света в свободном пространстве. В металле длина проникновения значительно меньше за счет сильного поглощения.
Из-за несоответствия волновых чисел свободного света и ППП прямое возбуждение ППП излучением в плоском интерфейсе невозможно. Для эффективного возбуждения применяются различные методы, обеспечивающие дополнительный волновой вектор:
Призма (метод Крейча-Эванса): Свет преломляется через прозрачную призму с высоким показателем преломления и подводится к поверхности под углом, обеспечивающим фазовое совпадение.
Гратки (дифракционные решётки): Поверхность металла структурируют периодической граткой, которая добавляет к волновому вектору компоненты, необходимые для возбуждения ППП.
Наночастицы и дефекты: Локальные возмущения и наноструктуры на поверхности могут создавать условия для локального возбуждения ППП.
Поверхностные пламон-поляритоны обладают уникальными свойствами, которые нашли широкое применение:
Оптические сенсоры. Высокая чувствительность ППП к изменению диэлектрической среды позволяет создавать сенсоры для биохимических и газовых анализов с чрезвычайно малым порогом обнаружения.
Нанооптика и фотоника. Возможность концентрировать и направлять свет на наномасштабы применяется для создания нанофотонных устройств, включая сверхразрешающую микроскопию и нанолучи.
Улучшение эффективности фотокатализаторов и солнечных элементов. Усиление локального электромагнитного поля возле поверхности металлов способствует росту скорости фотохимических реакций.
Плазмонные лазеры (сплазёры). Активные устройства, в которых плазмон-поляритоны обеспечивают обратную связь и усиление излучения.
Затухание и потери. Металлы имеют значительные потери на излучение и поглощение, что ограничивает длину распространения ППП (до нескольких микрометров).
Чувствительность к качеству поверхности. Неровности и загрязнения поверхности существенно влияют на характеристики ППП.
Температурная и частотная зависимость. Свойства ППП изменяются с температурой и частотой, что необходимо учитывать в практических приложениях.
Плазмонные метаматериалы и топологические эффекты. Создание новых структур, где ППП взаимодействуют с искусственной решёткой для управления светом на наноуровне.
Гибридные системы с полупроводниками и двухмерными материалами. Повышение эффективности взаимодействия света и материи с помощью графена, молекулярных слоёв и квантовых точек.
Нелинейная оптика ППП. Изучение эффектов усиления нелинейных процессов в наноструктурах с ППП.
Плазмонные нанолучи и нанопровода. Контроль и манипуляция плазмонными волнами для передачи информации на наномасштабах.
$$ k_{x} = k_0 \sqrt{\frac{\varepsilon_m(\omega) \varepsilon_d}{\varepsilon_m(\omega) + \varepsilon_d}} $$
$$ \varepsilon_m(\omega) = \varepsilon_{\infty} - \frac{\omega_p^2}{\omega(\omega + i\gamma)} $$
$$ \delta_i = \frac{1}{\kappa_i} = \frac{1}{\sqrt{k_x^2 - \varepsilon_i k_0^2}} $$
Эти фундаментальные свойства и механизмы формирования поверхностных плазмон-поляритонов обеспечивают уникальные возможности для разработки высокотехнологичных оптических и нанофотонных устройств.