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Plasmón

En física , un plasmón es un cuanto de oscilación de plasma . Así como la luz (una oscilación óptica) se compone de fotones , la oscilación de plasma se compone de plasmones. El...

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En física , un plasmón es un cuanto de oscilación de plasma . Así como la luz (una oscilación óptica) se compone de fotones , la oscilación de plasma se compone de plasmones. El plasmón puede considerarse una cuasipartícula , ya que surge de la cuantización de las oscilaciones de plasma, al igual que los fonones son cuantizaciones de vibraciones mecánicas. Por lo 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 polaritón de plasmón .

El campo de estudio y manipulación de plasmones se denomina plasmónica .

Introducción

Derivación

El plasmón fue propuesto inicialmente en 1952 por David Pines y David Bohm [ 1 ] y se demostró que surge de un hamiltoniano para las correlaciones electrón-electrón de largo alcance. [ 2 ]

Dado que los plasmones son la cuantización de las oscilaciones clásicas del plasma, la mayoría de sus propiedades pueden derivarse directamente de las ecuaciones de Maxwell . [ 3 ]

Explicación

Los plasmones pueden describirse, en la representación clásica, como una oscilación de la densidad electrónica con respecto a los iones positivos fijos en un metal . Para visualizar una oscilación de plasma, imaginemos un cubo de metal colocado en un campo eléctrico externo que apunta hacia la derecha. Los electrones se desplazarán hacia la izquierda (descubriendo los iones positivos del lado derecho) hasta que anulen el campo dentro del metal. Si se elimina el campo eléctrico, los electrones se desplazan hacia la derecha, repelidos entre sí y atraídos por los iones positivos que quedan expuestos en el lado derecho. Oscilan de un lado a otro a la frecuencia de plasma hasta que la energía se disipa por algún tipo de resistencia o amortiguación . Los plasmones son una cuantización de este tipo de oscilación.

Role

Los plasmones desempeñan un papel importante en las propiedades ópticas de los metales y semiconductores . Las frecuencias de luz inferiores a la frecuencia de plasma son reflejadas por un material porque los electrones del material apantallan el campo eléctrico de la luz. La luz de frecuencias superiores a la frecuencia de plasma es transmitida por un material porque los electrones del material no pueden responder con la suficiente rapidez para apantallarla. En la mayoría de los metales, la frecuencia de plasma se encuentra 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 interbanda en el rango visible, mediante las cuales se absorben energías de luz específicas (y, por lo tanto, colores), lo que produce su color distintivo.

En los semiconductores , la frecuencia del plasmón de los electrones de valencia suele estar en el ultravioleta profundo, mientras que sus transiciones electrónicas interbanda se encuentran en el rango visible, de forma similar al cobre y al oro, lo que da lugar a su color y reflectividad característicos [ 6 ] [ 7 ] . Se ha demostrado que la frecuencia del plasmón puede aparecer en la región del infrarrojo medio y cercano cuando los semiconductores se presentan en forma de nanopartículas con un dopaje intenso. [ 8 ] [ 9 ]

La energía del plasmón a menudo se puede estimar en el modelo de electrones libres comomipag=ℏnortemi2metroε0=ℏωpag,{\displaystyle E_{\rm {p}}=\hbar {\sqrt {\frac {ne^{2}}{m\varepsilon _{0}}}}=\hbar \omega _{\rm {p}},}dóndemipag{\displaystyle E_{\rm {p}}}es la energía radiante ,ωpag{\displaystyle \omega _ {\rm {p}}}la frecuencia del plasmón ,norte{\displaystyle n}es la densidad de electrones de conducción ,mi{\displaystyle e}es la carga elemental ,metro{\displaystyle m}es la masa del electrón ,ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}}la permitividad del espacio libre yℏ{\displaystyle \hbar }la constante de Planck reducida .

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 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 debe ser típicamente mayor que la magnitud de la permitividad en la región de permitividad positiva, de lo contrario la luz no está ligada 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 de luz visible, por ejemplo, 632,8  nm proporcionadas por un láser He-Ne, las interfaces que soportan plasmones de superficie a menudo se forman por metales como plata u oro (permitividad de parte real negativa) en contacto con dieléctricos como aire o dióxido de silicio. La elección particular de 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 distintas de las 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 et al. informan del uso de las multicapas como si fuera un solo material plasmónico. [ 12 ] La oxidación de las capas de cobre se evita con la adición de las capas de níquel. La integración de la plasmónica mediante el uso de cobre como material plasmónico resulta sencilla, ya que es la opción más común para el recubrimiento metálico, junto con el níquel. Las multicapas actúan como una red de difracción para la luz incidente. Con el sistema multicapa, se puede alcanzar una transmisión de hasta el 40 % en incidencia normal, dependiendo de la relación de espesor entre el cobre y el níquel. Por lo tanto, el uso de metales ya populares en una estructura multicapa se presenta como una solución eficaz para la integración plasmónica.

Los plasmones de superficie pueden desempeñar un papel importante en la espectroscopia Raman intensificada por superficie y en la explicación de anomalías en la difracción de rejillas metálicas ( anomalía de Wood ), entre otras cosas. Los bioquímicos utilizan la resonancia de plasmones de superficie para estudiar los mecanismos y la cinética de la unión de ligandos a receptores (por ejemplo, la unión de un sustrato a una enzima ). La resonancia de plasmones de superficie multiparamétrica puede utilizarse no solo para medir interacciones moleculares, sino también propiedades de nanocapas o cambios estructurales en las moléculas adsorbidas, capas de polímeros o grafeno, por ejemplo.

También se pueden observar plasmones de superficie 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 ]

Rosetón gótico de vidrieras de Notre-Dame de París . Algunos colores se consiguieron mediante coloides de nanopartículas de oro.

Más recientemente, los plasmones de superficie se han utilizado para controlar los colores de los materiales. [ 14 ] Esto es posible ya que controlar la forma y el tamaño de la partícula determina los tipos de plasmones de superficie que pueden acoplarse a ella y propagarse a través de ella. Esto, a su vez, controla la interacción de la luz con la superficie. Estos efectos se ilustran con las históricas vidrieras que adornan las catedrales medievales. Algunos colores de vidrieras se producen mediante nanopartículas metálicas de tamaño fijo que interactúan con el campo óptico para dar al vidrio un vibrante color rojo. En la ciencia moderna, estos efectos se han diseñado tanto para la luz visible como para la radiación de microondas . Gran parte de la investigación se realiza primero en el rango de microondas porque, a esta longitud de onda, las superficies y muestras de materiales se pueden producir mecánicamente porque los patrones tienden a ser del orden de unos pocos centímetros. La producción de efectos de plasmones de superficie en el rango óptico implica la creación de superficies con características <400 nm . Esto es mucho más difícil y solo recientemente se ha vuelto posible hacerlo de una manera confiable o accesible. 

Recientemente, también se ha demostrado que el grafeno puede albergar plasmones de superficie, observados mediante técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano [ 15 ] [ 16 ] y espectroscopía infrarroja. [ 17 ] Las posibles aplicaciones de la plasmónica del grafeno se centran principalmente en las frecuencias de terahercios a infrarrojo medio, como moduladores ópticos, fotodetectores y biosensores. [ 18 ]

Posibles aplicaciones

La posición e intensidad de los picos de absorción y emisión de plasmones se ven afectadas por la adsorción molecular , lo que puede utilizarse en sensores moleculares . Por ejemplo, se ha desarrollado un prototipo de dispositivo completamente funcional para la detección de 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 pueden utilizarse para la detección de diferentes tipos de moléculas, proteínas, etc.

Los plasmones se están considerando como un medio para transmitir información en chips de computadora , ya que pueden soportar frecuencias mucho más altas (en el rango de 100 THz , mientras que los cables convencionales presentan grandes pérdidas en las 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 un medio para la litografía y la microscopía de alta resolución debido a sus longitudes de onda extremadamente pequeñas; ambas aplicaciones han tenido demostraciones exitosas en el entorno de laboratorio.

Por último, los plasmones de superficie tienen la capacidad única de confinar la luz a dimensiones muy pequeñas, lo que podría posibilitar muchas aplicaciones nuevas.

Los plasmones de superficie son muy sensibles a las propiedades de los materiales sobre los que se propagan. Esto ha propiciado su uso para medir el espesor de monocapas en películas coloidales , así como para la detección y cuantificación de eventos de unión de proteínas . Empresas como Biacore han comercializado instrumentos que funcionan según estos principios. L'Oréal y otras compañías están investigando los plasmones de superficie ópticos con el fin de mejorar el maquillaje . [ 21 ]

En 2009, un equipo de investigación coreano encontró una manera de mejorar enormemente la eficiencia de los diodos orgánicos emisores de luz mediante el uso de plasmones. [ 22 ]

Un grupo de investigadores europeos liderado por IMEC comenzó 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), III-V de alto rendimiento, orgánicas y sensibilizadas con colorantes. [ 23 ] Sin embargo, para que los dispositivos fotovoltaicos plasmónicos funcionen de manera óptima, se necesitan óxidos conductores transparentes ultrafinos . [ 24 ] Se han demostrado hologramas a todo color utilizando plasmónica [ 25 ] .

Solitón plasmónico

Matemáticamente, el solitón plasmónico se refiere a la solución híbrida de la ecuación de amplitud no lineal, por ejemplo, para un medio metal-no lineal, considerando tanto el modo plasmónico como la solución solitaria. Por otro lado, una resonancia de soliplasmón se considera como una cuasipartícula que combina el modo plasmónico de superficie con un solitón espacial como resultado de una interacción resonante. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] Para lograr la propagación solitaria unidimensional en una guía de ondas plasmónica , mientras que los plasmones de superficie deben estar localizados en la interfaz, la distribución lateral de la envolvente del campo también debe permanecer inalterada.

Una guía de ondas basada en grafeno es una plataforma adecuada para soportar plasmones-solitones híbridos debido a su gran área efectiva y su enorme no linealidad. [ 30 ] Por ejemplo, la propagación de ondas solitarias en una heteroestructura de grafeno-dieléctrico puede aparecer en forma de solitones de orden superior o solitones discretos resultantes de la competencia entre la difracción y la no linealidad. [ 31 ] [ 32 ]

Véase también

Notas a pie de página

  1. ↑ Pines, David; Bohm, David (15 de enero de 1952). "Una descripción colectiva de las interacciones electrónicas: II. Aspectos colectivos frente a aspectos de partículas individuales de las interacciones". Physical Review . 85 (2): 338– 353. Bibcode : 1952PhRv...85..338P . doi : 10.1103/PhysRev.85.338 .Citado de: Dror Sarid; William Challener (6 de mayo de 2010). Modern Introduction to Surface Plasmons: Theory, Mathematica Modeling, and Applications . Cambridge University Press. p. 1. ISBN  978-0-521-76717-0.
  2. ↑ David Bohm, David Pines (1 de noviembre de 1953). "Interacciones de Coulomb en un gas de electrones degenerado". Phys. Rev. A Collective Description of Electron Interactions: III. 92 (3): 609– 625. Bibcode : 1953PhRv...92..609B . doi : 10.1103/physrev.92.609 . S2CID 55594082 . Citado de: NJ Shevchik (1974). "Derivación alternativa de la teoría de Bohm-Pines sobre las interacciones electrón-electrón". J. Phys. C: Solid State Phys . 7 (21): 3930– 3936. Bibcode : 1974JPhC....7.3930S . doi : 10.1088/0022-3719/7/21/013 .
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  4. ↑ Burdick, Glenn (1963). "Estructura de bandas de energía del cobre". Physical Review . 129 (1): 138– 150. Bibcode : 1963PhRv..129..138B . doi : 10.1103/PhysRev.129.138 .
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  6. ↑ Kittel, C. (2005). Introducción a la física del estado sólido (8.ª ed.). John Wiley & Sons . pág. 403, tabla 2.   
  7. ↑ Böer, KW (2002). Panorama general de la física de semiconductores . Vol. 1 (2.ª ed.). John Wiley & Sons . pág. 525.   
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Referencias

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  • Plasmónica activa
  • Plasmónica reactiva
  • Los chips informáticos plasmónicos se acercan

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