Плазмоны представляют собой квазичастицы, связанные с коллективными колебаниями свободных электронов в проводящих средах, прежде всего в металлах. Они возникают в результате взаимодействия электромагнитного излучения с электронной подсистемой проводника и представляют собой квантованные возбуждения плазменной плотности. Эти колебания могут быть как объемными (bulk plasmons), так и поверхностными (surface plasmons), причем последние играют особенно важную роль в оптических явлениях на границах металл-диэлектрик.
Объёмные плазмоны — это продольные колебания плотности свободных электронов в объёме металла. Их частота определяется так называемой плазменной частотой:
$$ \omega_p = \sqrt{\frac{n e^2}{\varepsilon_0 m^*}}, $$
где n — концентрация свободных электронов, e — заряд электрона, ε0 — электрическая постоянная, m* — эффективная масса электрона.
Плазменная частота лежит, как правило, в ультрафиолетовом диапазоне, и определяет границу между отражением и прохождением света в металле. Для частот ниже ωp металл отражает свет почти полностью, в то время как для ω > ωp он становится прозрачным.
Поверхностные плазмоны (surface plasmon polaritons, SPP) возникают на границе между проводником и диэлектриком и представляют собой сопряжённые колебания свободных электронов и электромагнитного поля, локализованные на поверхности. Они распространяются вдоль границы раздела и экспоненциально затухают как в металл, так и в диэлектрик.
Распределение поля поверхностного плазмона описывается уравнениями Максвелла с граничными условиями на интерфейсе. Основное условие существования SPP:
εm(ω) + εd < 0,
где εm(ω) — частотнозависимая диэлектрическая проницаемость металла, εd — диэлектрическая проницаемость прилегающего материала.
Это условие выполняется, как правило, в видимом и ближнем ИК-диапазоне для благородных металлов (золото, серебро).
Фазовая скорость и длина волны поверхностного плазмона всегда меньше, чем у света в вакууме. Следовательно, для возбуждения SPP необходим специальный механизм, компенсирующий разность импульсов. Это может быть достигнуто с помощью призм (схема Кретчмана или Отто), дифракционных решеток, или структурированных поверхностей.
Оптический отклик металлов в присутствии плазмонов характеризуется сильными резонансными эффектами. Особенно важным является поверхностный плазмонный резонанс (SPR), возникающий при согласовании волнового вектора падающего света и поверхностного плазмона. Резонанс приводит к значительному увеличению амплитуды локального электрического поля вблизи поверхности металла.
Это усиление может достигать нескольких порядков величины и лежит в основе многих современных оптических приложений, включая сенсорику, фотокатализ, усиление нелинейных эффектов, и нанофотонику.
Для наночастиц металлического происхождения, размеры которых меньше длины волны света, характерно возникновение локализованных поверхностных плазмонов (LSPR). В этом случае осциллирующее электромагнитное поле возбуждает коллективные колебания электронов в ограниченном объёме, вызывая резонансное поглощение и рассеяние света.
Частота LSPR зависит от:
Локализованные плазмоны играют ключевую роль в таких явлениях, как усиление рамановского рассеяния (SERS), плазмон-усиленная флуоресценция и фототермическая терапия.
Плазмонные возбуждения подвержены потерям, которые определяются:
Для поверхностных плазмонов типичная длина распространения в благородных металлах составляет десятки микрометров в видимом диапазоне, однако может быть сильно уменьшена в более резонансной области или при наличии неровностей.
Качество плазмонного возбуждения характеризуется добротностью, которая определяется соотношением между реальной и мнимой частью эффективного волнового числа:
$$ Q = \frac{\Re(k)}{2\Im(k)}. $$
Высокая добротность необходима для эффективных сенсорных приложений и сильного локального усиления поля.
Плазмоны позволяют преодолеть дифракционный предел традиционной оптики, поскольку они способны концентрировать свет в области, значительно меньшей длины волны. Это легло в основу таких направлений, как:
Для эффективного возбуждения и использования плазмонов необходимо учитывать оптические свойства металлов. Наиболее часто используются:
Структурные параметры, такие как толщина плёнки, периодичность наноструктур, формы и интервалы между наночастицами, оказывают сильное влияние на дисперсию плазмонов и параметры резонанса.
Плазмонные резонансы чувствительны к изменению показателя преломления окружающей среды. Это лежит в основе:
Точность и чувствительность таких устройств могут достигать уровня единичных молекул.
Плазмонные возбуждения сопровождаются локальным нагревом металлической структуры. Это открывает возможности для:
Температурное воздействие также оказывает влияние на диэлектрическую проницаемость, изменяя параметры плазмонов.
Моделирование плазмонных свойств осуществляется на основе:
Для квантового описания используются подходы из теории бозе-возбуждений, квазичастиц и квантовой электродинамики в диспергирующих средах.
Плазмоны являются частным случаем более общего класса поляритонов — гибридных квазичастиц, возникающих при сильном взаимодействии фотонов с возбуждениями среды. Их можно рассматривать как промежуточное звено между светом и материей. Современные исследования направлены на создание гибридных плазмон-поляритонных систем, способных управлять квантовыми состояниями света и материи.
Также активно исследуются взаимодействия плазмонов с экситонами в полупроводниках, с магнонами в магнитных структурах и с фононами в диэлектриках.
Исследование плазмонов находится на стыке классической и квантовой оптики, материаловедения и нанофизики. Перспективы включают:
Понимание природы плазмонов и управление их свойствами открывает путь к новым подходам в оптоэлектронике, сенсорике и квантовых технологиях.