Plasmón

En física, un plasmón es un cuanto de oscilación de plasma. Así como la luz (una oscilación óptica) consta de fotones, la oscilación del plasma consta de plasmones. El plasmón puede considerarse como una cuasipartícula ya que surge de la cuantificación de las oscilaciones del plasma, al igual que los fonones son cuantificaciones de las vibraciones mecánicas. Por lo tanto, los plasmones son oscilaciones colectivas (un número discreto) de la densidad del gas de electrones libres. Por ejemplo, en frecuencias ópticas, los plasmones pueden acoplarse con un fotón para crear otra cuasipartícula llamada polaritón de plasmón.

Derivación

El plasmón fue propuesto inicialmente en 1952 por David Pines y David Bohm y se demostró que surge de un hamiltoniano para las correlaciones electrón-electrón de largo alcance.

Dado que los plasmones son la cuantificación de las oscilaciones de plasma clásicas, la mayoría de sus propiedades se pueden derivar directamente de las ecuaciones de Maxwell.

Explicación

Los plasmones se pueden describir en la imagen clásica como una oscilación de densidad de electrones con respecto a los iones positivos fijos en un metal. Para visualizar una oscilación de plasma, imagina 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, se repelen entre sí y son atraídos por los iones positivos que quedan desnudos en el lado derecho. Oscilan de un lado a otro a la frecuencia del plasma hasta que la energía se pierde en algún tipo de resistencia o amortiguamiento. Los plasmones son una cuantización de este tipo de oscilación.

Rol

Los plasmones juegan un papel muy importante en las propiedades ópticas de los metales y los semiconductores. Las frecuencias de luz por debajo de la frecuencia del plasma son reflejadas por un material porque los electrones en el material bloquean 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 apantallarlo. En la mayoría de los metales, la frecuencia del plasma está en el ultravioleta, lo que los hace brillantes (reflexivos) en el rango visible. Algunos metales, como el cobre y el oro, 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 generalmente está 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, razón por la cual 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 fuerte dopaje.

La energía del plasmón a menudo se puede estimar en el modelo de electrones libres como

Ep={displaystyle E_{rm {p}=}▪ ▪ {displaystyle hbar }ne2mε ε 0={fnMicroc} {n}{2} {mepsilon - Sí.▪ ▪ {displaystyle hbar }⋅ ⋅ p,{displaystyle omega _{rm {}}}

Donde n{displaystyle n} es la densidad de electrones de conducción, e{displaystyle e} es la carga primaria, m{displaystyle m} es la masa de electrones, ε ε 0{displaystyle epsilon _{0} de espacio libre, ▪ ▪ {displaystyle hbar } la reducción constante de Planck y ⋅ ⋅ p{displaystyle omega _{rm {p}} la frecuencia plasmona.

Plasmones de superficie

Los plasmones de superficie son aquellos plasmones que están confinados a las superficies y que interactúan fuertemente con la luz dando como resultado un polaritón. 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 permitividad es negativa a la frecuencia de luz dada, 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 permitividad negativa normalmente debe ser mayor que la magnitud de la permitividad en la región de permitividad positiva, de lo contrario, la luz no está obligada a la superficie (es decir, los plasmones de superficie no existen) como se muestra en el famoso libro de Heinz Raether. En longitudes de onda de luz visibles, p. Con una longitud de onda de 632,8 nm proporcionada por un láser de He-Ne, las interfaces que soportan los plasmones de superficie a menudo están formadas por metales como plata u oro (permisividad de parte real negativa) en contacto con dieléctricos como aire o 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 superficiales 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 et al. reportan el uso de multicapas como si fuera un material plasmónico. La oxidación de las capas de cobre se previene con la adición de capas de níquel. Es un camino fácil la integración de la plasmónica para usar cobre como material plasmónico porque es la opción más común para el recubrimiento metálico junto con el níquel. Las multicapas sirven como rejilla de difracción para la luz incidente. Se puede lograr hasta un 40 por ciento de transmisión con incidencia normal con el sistema multicapa dependiendo de la proporción de espesor de cobre a níquel. Por lo tanto, el uso de metales ya populares en una estructura multicapa demuestra ser una solución para la integración plasmónica.

Los plasmones de superficie pueden desempeñar un papel en la espectroscopia Raman mejorada en superficie y en la explicación de las anomalías en la difracción de las rejillas metálicas (anomalía de Wood), entre otras cosas. Los bioquímicos utilizan la resonancia de plasmones superficiales 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 plasmones de superficie multiparamétrica se puede utilizar no solo para medir las interacciones moleculares, sino también las propiedades de las nanocapas o los cambios estructurales en las moléculas adsorbidas, las capas de polímero o el grafeno, por ejemplo.

Los plasmones de superficie también se pueden observar en los espectros de emisión de rayos X de los metales. Se ha obtenido una relación de dispersión para los plasmones superficiales en los espectros de emisión de rayos X de los metales (Harsh y Agarwal).

Ventana de cristal vidriado gótica de Notre-Dame de Paris. Algunos colores fueron alcanzados por coloides de nanopartículas de oro.

Más recientemente, se han utilizado plasmones de superficie para controlar los colores de los materiales. Esto es posible ya que el control de la forma y el tamaño de la partícula determina los tipos de plasmones de superficie que se pueden acoplar y propagar a través de ella. Esto, a su vez, controla la interacción de la luz con la superficie. Estos efectos están ilustrados por las históricas vidrieras 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 han sido diseñados tanto para luz visible como para radiación de microondas. Gran parte de la investigación se lleva a cabo primero en el rango de microondas porque a esta longitud de onda, las superficies de materiales y las muestras se pueden producir mecánicamente porque los patrones tienden a ser del orden de unos pocos centímetros. La producción de efectos de plasmones de superficie de rango óptico implica fabricar superficies que tengan características <400 nm. Esto es mucho más difícil y solo recientemente se ha vuelto posible hacerlo de una manera confiable o disponible.

Recientemente, también se ha demostrado que el grafeno se adapta a los plasmones de la superficie, observados mediante técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano y espectroscopía infrarroja. Las posibles aplicaciones de la plasmónica de grafeno se dirigieron principalmente a las frecuencias de terahercios a infrarrojo medio, como moduladores ópticos, fotodetectores y biosensores.

Posibles aplicaciones

La posición y la intensidad de los picos de absorción y emisión de plasmones se ven afectadas 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. Los plasmones superficiales localizados de nanopartículas metálicas se pueden utilizar para detectar diferentes tipos de moléculas, proteínas, etc.

Los plasmones se están considerando como un medio de transmisión de información en chips de computadora, ya que los plasmones pueden admitir frecuencias mucho más altas (en el rango de 100 THz, mientras que los cables convencionales tienen muchas pérdidas 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.

Los plasmones también se han propuesto como un 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 la detección y cuantificación de eventos de unión a proteínas. Empresas como Biacore han comercializado instrumentos que funcionan según estos principios. L'Oréal y otros están investigando los plasmones de superficie óptica con el fin de mejorar el maquillaje.

En 2009, un equipo de investigación coreano encontró una manera de mejorar en gran medida la eficiencia de los diodos orgánicos emisores de luz con el uso de plasmones.

Un grupo de investigadores europeos dirigido por IMEC ha comenzado a trabajar para mejorar la eficiencia y los costes de las células solares mediante la incorporación de nanoestructuras metálicas (usando efectos plasmónicos) que pueden mejorar la absorción de luz en diferentes tipos de células solares: silicio cristalino (c-Si), III-V de alto rendimiento, orgánico y sensibilizado por colorante. Sin embargo, para que los dispositivos fotovoltaicos plasmónicos funcionen de manera óptima, se necesitan óxidos conductores transparentes ultrafinos. Se han demostrado hologramas a todo color usando plasmonics.

Plasmón-solitón

Plasmón-solitón se refiere matemáticamente a la solución híbrida de la ecuación de amplitud no lineal, p. para un medio metálico no lineal considerando tanto el modo plasmón como la solución solitaria. Una resonancia de soliplasmón, por otro lado, se considera como una cuasipartícula que combina el modo de plasmón superficial con el solitón espacial como un resultado de una interacción resonante. Para lograr una propagación solitaria unidimensional en una guía de onda plasmónica, mientras que los plasmones de la superficie deben localizarse en la interfaz, la distribución lateral de la envolvente archivada también debe permanecer sin cambios.

La guía de ondas basada en grafeno es una plataforma adecuada para soportar solitones de plasmones híbridos debido a la gran área efectiva y la enorme no linealidad. Por ejemplo, la propagación de ondas solitarias en una heteroestructura dieléctrica de grafeno puede aparecer en forma de solitones de orden superior o solitones discretos resultantes de la competencia entre la difracción y la no linealidad.