Plasmón

Plasmón
Compuesto: cuasipartícula
Clasificación: Plasmones de superficie , resonancia de plasmones

En física, un plasmón  es una cuasipartícula que corresponde a la cuantificación de las oscilaciones de plasma , que son oscilaciones colectivas de un gas de electrones libres [1] .

Origen del concepto

El término "plasmón" fue introducido en 1952 por los físicos estadounidenses David Pines y David Bohm [2] [3] como el hamiltoniano de las correlaciones electrón-electrón de largo alcance [4] [5] .

Dado que los plasmones son oscilaciones de plasma clásicas cuantificadas, la mayoría de sus propiedades pueden derivarse directamente de las ecuaciones de Maxwell [6] .

Explicación

Los plasmones determinan en gran medida las propiedades ópticas de los metales y los semiconductores . La radiación electromagnética con una frecuencia por debajo de la frecuencia de plasma del material se refleja bien, porque los electrones libres pueden oscilar con tal frecuencia al mismo tiempo que las oscilaciones del campo electromagnético de esta radiación, y la protegerán. Pero por encima de la frecuencia del plasma, los electrones ya no pueden oscilar lo suficientemente rápido, y la radiación electromagnética de una frecuencia tan alta puede penetrar, atravesar o ser absorbida por un metal o semiconductor.

Las frecuencias de plasma de la mayoría de los metales puros se encuentran en la región ultravioleta del espectro y, en todo el rango visible, estos metales reflejan la radiación igualmente bien y, por lo tanto, se ven incoloros y brillantes. Pero el cobre y el oro tienen transiciones electrónicas en frecuencias del espectro visible. En ellos, la luz es absorbida más fuertemente por el metal que en otras frecuencias en el rango visible, razón por la cual el cobre y el oro en la luz reflejada parecen coloreados [7] [8] .

En los semiconductores, la frecuencia de plasma de los electrones de la banda de valencia suele estar en el rango ultravioleta lejano, pero las transiciones electrónicas entre niveles pueden ser con energías de fotones de luz visible. Dicho semiconductor también absorberá selectivamente las frecuencias de luz visible y aparecerá coloreado [9] [10] . En semiconductores altamente dopados en forma de nanopartículas, la frecuencia del plasma puede estar en el rango del infrarrojo cercano o medio [11] [12] .

La energía del plasmón se puede estimar en el modelo de electrones casi libres como:

donde n  es la densidad de los electrones de valencia, e  es la carga elemental , m  es la masa del electrón y ε 0  es la permeabilidad al vacío .

Los plasmones de superficie (plasmones confinados a las superficies) interactúan fuertemente con la luz, lo que resulta en la formación de polaritones . Desempeñan un papel en la mejora de la superficie de la dispersión de luz Raman y en la explicación de anomalías en la difracción de metales. La resonancia de plasmones superficiales se utiliza en bioquímica para detectar la presencia de moléculas en una superficie.

Un plasmón superficial localizado está presente en pequeñas partículas metálicas (nanopartículas) como el oro o la plata . Para tamaños de partículas suficientemente pequeños (diámetro de partículas < longitud de onda de la radiación electromagnética entrante), puede considerarse como un dipolo oscilante. La energía absorbida de la radiación electromagnética puede calentar significativamente las nanopartículas [13] .

Posibles usos

Los plasmones se ven como un medio de transmisión de información en chips de computadora , ya que los cables de plasmones pueden ser mucho más delgados que los cables normales y pueden soportar frecuencias mucho más altas (en el modo de 100 THz , mientras que los cables normales tienen pérdidas altas a 10 GHz ). También se han propuesto como un medio para litografía y microscopía de alta resolución debido a sus longitudes de onda extremadamente cortas. Ambas aplicaciones se han demostrado con éxito en laboratorios.

Los plasmones también se pueden usar para generar radiación en estructuras llamadas spasers .

Notas

  1. ↑ Slyusar, V. I. Nanoantenas: enfoques y perspectivas. - C. 58 - 65. . Electrónica: ciencia, tecnología, negocios. - 2009. - N° 2. C. 63 (2009). Consultado el 3 de junio de 2021. Archivado desde el original el 3 de junio de 2021.
  2. ↑ Pinos, David; Bohm, David. Una descripción colectiva de las interacciones electrónicas: II. Aspectos colectivos frente a partículas individuales de las interacciones  // Revisión física  . - 1952. - 15 de enero ( ed. 85 ). — Pág. 338 .
  3. ↑ Sarid, Dror; Challenger, Guillermo. Introducción moderna a los plasmones de superficie: teoría, modelado de Mathematica y aplicaciones . - Cambridge University Press, 2010. - Pág. 1. - ISBN 978-0-521-76717-0 .
  4. ↑ Böhm, David; Pinos, David. Interacciones de Coulomb en un gas de electrones degenerado  // Revisión física  . - 1953. - 1 de noviembre ( iss. 92 ). — págs. 609–625 . -doi : 10.1103/ physrev.92.609 . - .
  5. ↑ Shevchik NJ Derivación alternativa de la teoría de interacciones electrón-electrón de Bohm-Pines  //  J. Phys. C: Estado Sólido Phys. - 1974. - Vol. 7 . - Pág. 3930-3936 . -doi : 10.1088 / 0022-3719/7/21/013 . - .
  6. ↑ Jackson, JD 10.8 Oscilaciones de plasma // Electrodinámica clásica . — 2do. - Nueva York: John Wiley & Sons , 1975. - ISBN 978-0-471-30932-1 .
  7. ↑ Burdick, Glenn. Estructura de bandas de energía del cobre  (inglés)  // Revisión física . - 1963. - vol. 129 . — pág. 138–150 . -doi : 10.1103 / PhysRev.129.138 . - .
  8. ↑ S. Zeng. Una revisión sobre nanopartículas de oro funcionalizadas para aplicaciones de   biodetección // Plasmónica . - 2011. - vol. 6 , edición. 3 . — págs. 491–506 . -doi : 10.1007/ s11468-011-9228-1 .
  9. ↑ Kittel, C. Introducción a la física del estado sólido . — 8o. - John Wiley & Sons , 2005. - Pág  . 403 .
  10. ↑ Böer, KW Estudio de física de semiconductores. — 2do. - John Wiley & Sons , 2002. - Vol. 1.- Pág. 525.
  11. ↑ Liu, Xin; Swihart, Mark T. Semiconductores coloidales fuertemente dopados y nanocristales de óxido metálico: una nueva clase emergente de nanomateriales plasmónicos   // Chem . soc. Rev.. - 2014. - Vol. 43 . - Pág. 3908-3920 . -doi : 10.1039/ c3cs60417a .
  12. ↑ Pi, Xiaodong; Delerue, Christophe. Cálculos de unión estrecha de la respuesta óptica de nanocristales de Si dopados con P de manera óptima: un modelo para resonancia de plasmón de superficie localizada  // Cartas de revisión física  . - 2013. - Vol. 111 . — Pág. 177402 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.111.177402 . - . — PMID 24206519 .
  13. ↑ doi:10.1016/S1748-0132(07)70017-8 . Consultado el 20 de julio de 2010. Archivado desde el original el 10 de julio de 2010.

Enlaces

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