En física , un plasmón es un cuanto de oscilación del plasma . Así como la luz (una oscilación óptica) consta de fotones , la oscilación del plasma consta de plasmones. El plasmón se puede considerar como una cuasipartícula ya que surge de la cuantificación de las oscilaciones del plasma, al igual que los fonones son cuantificaciones de vibraciones mecánicas. Por tanto, los plasmones son oscilaciones colectivas (un número discreto) de la densidad del gas de electrones libres . Por ejemplo, a frecuencias ópticas, los plasmones pueden acoplarse con un fotón para crear otra cuasipartícula llamada plasmón.polariton .
Derivación
El plasmón fue propuesto inicialmente en 1952 por David Pines y David Bohm [1] y se demostró que surgía de un hamiltoniano para las correlaciones electrón-electrón de largo alcance. [2]
Dado que los plasmones son la cuantificación de las oscilaciones plasmáticas clásicas, la mayoría de sus propiedades pueden derivarse directamente de las ecuaciones de Maxwell . [3]
Explicación
Los plasmones se pueden describir en la imagen clásica como una oscilación de la densidad electrónica con respecto a los iones positivos fijos en un metal . Para visualizar una oscilación de plasma, imagine un cubo de metal colocado en un campo eléctrico externo apuntando hacia la derecha. Los electrones se moverán hacia el lado izquierdo (descubriendo iones positivos en el lado derecho) hasta que cancelen el campo dentro del metal. Si se elimina el campo eléctrico, los electrones se mueven hacia la derecha, repelidos entre sí y atraídos por los iones positivos que quedan desnudos en el lado derecho. Oscilan hacia adelante y hacia atrás a la frecuencia del plasma hasta que la energía se pierde en algún tipo de resistencia o amortiguación . Los plasmones son una cuantificación de este tipo de oscilación.
Papel
Los plasmones juegan un papel importante en las propiedades ópticas de metales y semiconductores. Las frecuencias de luz por debajo de la frecuencia del plasma son reflejadas por un material porque los electrones en el material protegen el campo eléctrico de la luz. La luz de frecuencias por encima de la frecuencia del plasma es transmitida por un material porque los electrones en el material no pueden responder lo suficientemente rápido para filtrarlo. En la mayoría de los metales, la frecuencia de plasma está en el ultravioleta , lo que los hace brillantes (reflectantes) en el rango visible. Algunos metales, como el cobre [4] y el oro , [5] tienen transiciones electrónicas entre bandas en el rango visible, por lo que se absorben energías de luz específicas (colores), produciendo su color distintivo. En los semiconductores , la frecuencia del plasmón de electrones de valencia suele estar en el ultravioleta profundo, mientras que sus transiciones electrónicas entre bandas están en el rango visible, por lo que se absorben energías de luz específicas (colores), produciendo su color distintivo [6] [7], por lo que son reflectantes. Se ha demostrado que la frecuencia del plasmón puede ocurrir en la región del infrarrojo medio y del infrarrojo cercano cuando los semiconductores están en forma de nanopartículas con dopaje pesado. [8] [9]
La energía del plasmón a menudo se puede estimar en el modelo de electrones libres como
- ℏ {\ Displaystyle \ hbar} norte mi 2 metro ϵ 0 = {\ displaystyle {\ sqrt {\ frac {ne ^ {2}} {m \ epsilon _ {0}}}} =} ℏ {\ Displaystyle \ hbar} ω pag , {\ Displaystyle \ omega _ {\ rm {p}},}
dónde es la densidad de electrones de conducción ,es la carga elemental ,es la masa del electrón ,la permitividad del espacio libre ,la constante de Planck reducida yla frecuencia del plasmón .
Plasmones de superficie
Los plasmones de superficie son aquellos plasmones que están confinados a superficies y que interactúan fuertemente con la luz dando como resultado un polaritón . [10] Ocurren en la interfaz de un material que exhibe una parte real positiva de su permitividad relativa, es decir, constante dieléctrica (por ejemplo, vacío, aire, vidrio y otros dieléctricos) y un material cuya parte real de la permitividad es negativa a la frecuencia dada de ligero, típicamente un metal o semiconductores fuertemente dopados. Además del signo opuesto de la parte real de la permitividad, la magnitud de la parte real de la permitividad en la región de la permitividad negativa debería ser típicamente mayor que la magnitud de la permitividad en la región de la permitividad positiva; de lo contrario, la luz no está unida a la superficie (es decir, los plasmones de superficie no existen) como se muestra en el famoso libro de Heinz Raether . [11] En longitudes de onda visibles de luz, por ejemplo, 632,8 nm de longitud de onda proporcionada por un láser He-Ne, las interfaces que soportan los plasmones superficiales a menudo están formadas por metales como la plata o el oro (permitividad de la parte real negativa) en contacto con dieléctricos como el aire o el dióxido de silicio . La elección particular de los materiales puede tener un efecto drástico en el grado de confinamiento de la luz y la distancia de propagación debido a las pérdidas. Los plasmones de superficie también pueden existir en interfaces que no sean superficies planas, como partículas o tiras rectangulares, ranuras en V, cilindros y otras estructuras. Se han investigado muchas estructuras debido a la capacidad de los plasmones de superficie para confinar la luz por debajo del límite de difracción de la luz. Una estructura simple que se investigó fue un sistema multicapa de cobre y níquel. Mladenovic y col. informar el uso de las multicapas como si fuera un único material plasmónico. [12] El óxido de cobre se evita con la adición de capas de níquel. Es un camino fácil la integración de plasmónicos para usar cobre como material plasmónico porque es la opción más común para el enchapado metálico junto con el níquel. Las multicapas sirven como rejilla difractiva para la luz incidente. Se puede lograr hasta un 40 por ciento de transmisión con una incidencia normal con el sistema multicapa, dependiendo de la relación de espesor de cobre a níquel. Por lo tanto, el uso de metales ya populares en una estructura multicapa resulta ser una solución para la integración plasmónica.
Los plasmones de superficie pueden desempeñar un papel en la espectroscopia Raman mejorada en la superficie y en la explicación de anomalías en la difracción de las rejillas metálicas ( anomalía de Wood ), entre otras cosas. Los bioquímicos utilizan la resonancia de plasmón de superficie para estudiar los mecanismos y la cinética de los ligandos que se unen a los receptores (es decir, un sustrato que se une a una enzima ). La resonancia de plasmón de superficie multiparamétrica se puede utilizar no solo para medir interacciones moleculares, sino también propiedades de nanocapa o cambios estructurales en las moléculas adsorbidas, capas de polímero o grafeno, por ejemplo.
Los plasmones de superficie también se pueden observar en los espectros de emisión de rayos X de los metales. Se ha derivado una relación de dispersión para los plasmones de superficie en los espectros de emisión de rayos X de los metales (Harsh y Agarwal). [13]
Más recientemente, se han utilizado plasmones de superficie para controlar los colores de los materiales. [14] Esto es posible ya que el control de la forma y el tamaño de la partícula determina los tipos de plasmones superficiales que pueden acoplarse y propagarse a través de ella. Esto, a su vez, controla la interacción de la luz con la superficie. Estos efectos están ilustrados por las vidrieras históricas que adornan las catedrales medievales. Algunos colores de vidrieras son producidos por nanopartículas de metal de un tamaño fijo que interactúan con el campo óptico para dar al vidrio un color rojo vibrante. En la ciencia moderna, estos efectos se han diseñado tanto para la luz visible como para la radiación de microondas . Muchas investigaciones se realizan primero en el rango de microondas porque a esta longitud de onda, las superficies de material y las muestras se pueden producir mecánicamente porque los patrones tienden a ser del orden de unos pocos centímetros. La producción de efectos de plasmón de superficie de rango óptico implica la fabricación de superficies que tienen características <400 nm . Esto es mucho más difícil y solo recientemente ha sido posible hacerlo de una manera confiable o disponible.
Recientemente, también se ha demostrado que el grafeno se adapta a los plasmones de superficie, observados mediante técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano [15] [16] y espectroscopía infrarroja. [17] Las aplicaciones potenciales de los plasmónicos de grafeno se dirigieron principalmente a las frecuencias de terahercios a infrarrojos medios, como moduladores ópticos, fotodetectores y biosensores. [18]
Posibles aplicaciones
La posición e intensidad de los picos de emisión y absorción de plasmón se ven afectados por la adsorción molecular , que se puede utilizar en sensores moleculares . Por ejemplo, se ha creado un prototipo de un dispositivo totalmente operativo que detecta caseína en la leche, basado en la detección de un cambio en la absorción de una capa de oro. [19] Los plasmones de superficie localizados de nanopartículas metálicas se pueden utilizar para detectar diferentes tipos de moléculas, proteínas, etc.
Los plasmones se están considerando como un medio de transmitir información en chips de computadora , ya que los plasmones pueden soportar frecuencias mucho más altas (en el rango de 100 THz , mientras que los cables convencionales se vuelven muy perdidos en decenas de GHz ). Sin embargo, para que la electrónica basada en plasmones sea práctica, es necesario crear un amplificador basado en plasmones análogo al transistor , llamado plasmonstor . [20]
Los plasmones también se han propuesto como medio de litografía y microscopía de alta resolución debido a sus longitudes de onda extremadamente pequeñas; Ambas aplicaciones han tenido demostraciones exitosas en el entorno de laboratorio.
Finalmente, los plasmones de superficie tienen la capacidad única de confinar la luz a dimensiones muy pequeñas, lo que podría permitir muchas aplicaciones nuevas.
Los plasmones de superficie son muy sensibles a las propiedades de los materiales sobre los que se propagan. Esto ha llevado a su uso para medir el grosor de monocapas en películas coloidales , como el cribado y la cuantificación de eventos de unión a proteínas . Empresas como Biacore han comercializado instrumentos que operan con estos principios. Los plasmones de superficie óptica están siendo investigados con el fin de mejorar el maquillaje de L'Oréal y otros. [21]
En 2009, un equipo de investigación coreano encontró una manera de mejorar en gran medida la eficiencia de los diodos emisores de luz orgánicos con el uso de plasmones. [22]
Un grupo de investigadores europeos liderado por IMEC ha comenzado a trabajar para mejorar la eficiencia y los costos de las células solares mediante la incorporación de nanoestructuras metálicas (utilizando efectos plasmónicos) que pueden mejorar la absorción de luz en diferentes tipos de células solares: silicio cristalino (c-Si), alto -rendimiento III-V, orgánico y sensibilizado con colorantes. [23] Sin embargo, para que los dispositivos fotovoltaicos plasmónicos funcionen de manera óptima, son necesarios óxidos conductores transparentes ultrafinos . [24] Se han demostrado hologramas a todo color que utilizan plasmónicos [25] .
Plasmón-solitón
Plasmón- solitón se refiere matemáticamente a la solución híbrida de la ecuación de amplitud no lineal, por ejemplo, para un medio metal-no lineal considerando tanto el modo plasmón como la solución solitaria. Por otro lado, una resonancia de soliplasmón se considera como una cuasipartícula que combina el modo de plasmón de superficie con el solitón espacial como resultado de una interacción resonante. [26] [27] [28] [29] Para lograr una propagación solitaria unidimensional en una guía de onda plasmónica, mientras que los plasmones de superficie deben localizarse en la interfaz, la distribución lateral de la envoltura archivada también debe permanecer sin cambios.
La guía de ondas basada en grafeno es una plataforma adecuada para admitir plasmones-solitones híbridos debido a la gran área efectiva y la enorme no linealidad. [30] Por ejemplo, la propagación de ondas solitarias en una heteroestructura grafeno-dieléctrica puede aparecer en forma de solitones de orden superior o solitones discretos como resultado de la competencia entre difracción y no linealidad. [31] [32]
Ver también
- Resonancia de plasmones superficiales
- Resonancia de plasmón superficial multiparamétrico
- Ondas en plasmas
- Oscilación de plasma
- Spinplasmonics
- Óptica de transformación
- Transmisión óptica extraordinaria
- Phonon
- Lista de artículos sobre plasma (física)
- Plasmónicos de grafeno
Notas al pie
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enlaces externos
- Una selección de artículos de descarga gratuita sobre plasmónica en New Journal of Physics
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- http://www.sprpages.nl
- https://web.archive.org/web/20030423045410/http://www.qub.ac.uk/mp/con/plasmon/sp1.html
- http://www.nano-optics.org.uk
- Los chips de computadora plasmónica se acercan
- Progreso en Stanford para su uso en computadoras
- Slashdot : ¿ Una revolución plasmónica para chips de computadora?
- Un microscopio de Flatland Physical Review Focus , 24 de enero de 2005
- Wikinoticias: el escudo de invisibilidad obtiene un plano
- http://www.plasmonanodevices.org
- https://web.archive.org/web/20190118050044/http://www.eu-pleas.org/
- https://web.archive.org/web/20070221041909/http://www.plasmocom.org/
- Pon a prueba los límites de la tecnología plasmónica
- http://www.activeplasmonics.org
- http://www.plaisir-project.eu
- http://www.reactiveplasmonics.org