Plasmón de superficie

Los plasmones de superficie ( PS ) son oscilaciones electrónicas coherentes y deslocalizadas que existen en la interfaz entre dos materiales cualesquiera donde la parte real de la función dieléctrica cambia de signo al cruzar dicha interfaz (por ejemplo, una interfaz metal-dieléctrico, como una lámina de metal en el aire). Los PS tienen menor energía que los plasmones de volumen (o volumétricos) , que cuantifican las oscilaciones electrónicas longitudinales alrededor de los núcleos de iones positivos dentro del volumen de un gas de electrones (o plasma).

El movimiento de carga en un plasmón de superficie siempre genera campos electromagnéticos tanto fuera como dentro del metal. La excitación total , que incluye tanto el movimiento de carga como el campo electromagnético asociado, se denomina polaritón de plasmón de superficie en una interfaz plana o plasmón de superficie localizado en la superficie cerrada de una partícula pequeña.

La existencia de plasmones de superficie fue predicha por primera vez en 1957 por Rufus Ritchie. ^{[ 1 ]} Los patrones de difracción inusuales conocidos como anomalías de Wood , reportados por primera vez por Robert W. Wood en 1902, ^{[ 2 ]} se entendieron posteriormente como vinculados a la excitación de plasmones de superficie en rejillas metálicas . ^{[ 3 ]} En las dos décadas siguientes, los plasmones de superficie fueron estudiados extensamente por muchos científicos, entre los que destacan T. Turbadar en las décadas de 1950 y 1960, y E. N. Economou , Heinz Raether , E. Kretschmann y A. Otto en las décadas de 1960 y 1970. La transferencia de información en estructuras a nanoescala, similar a la fotónica , mediante plasmones de superficie, se denomina plasmónica . ^{[ 4 ]}

Los plasmones de superficie localizados surgen en objetos metálicos pequeños, incluidas las nanopartículas. Dado que se pierde la invariancia traslacional del sistema, no es posible realizar una descripción en términos de vector de onda , como en los SPP. Además, a diferencia de la relación de dispersión continua en los SPP, los modos electromagnéticos de la partícula están discretizados. ^{[ 9 ]}

Los LSP pueden excitarse directamente mediante ondas incidentes; el acoplamiento eficiente a los modos LSP corresponde a resonancias y puede atribuirse a la absorción y dispersión , con un aumento de la intensificación del campo local. ^{[ 9 ]} Las resonancias LSP dependen en gran medida de la forma de la partícula; las partículas esféricas pueden estudiarse analíticamente mediante la teoría de Mie . ^{[ 6 ] [ 9 ]}

La excitación de plasmones superficiales se utiliza frecuentemente en una técnica experimental conocida como resonancia de plasmones superficiales (RPS). En la RPS, la excitación máxima de los plasmones superficiales se detecta monitorizando la potencia reflejada por un acoplador de prisma en función del ángulo de incidencia o la longitud de onda . Esta técnica puede utilizarse para observar cambios nanométricos en el espesor, fluctuaciones de densidad o absorción molecular. Trabajos recientes también han demostrado que la RPS puede utilizarse para medir los índices ópticos de sistemas multicapa, donde la elipsometría no ha dado resultado. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Se han propuesto circuitos basados ​​en plasmones de superficie como un medio para superar las limitaciones de tamaño de los circuitos fotónicos para su uso en nanodispositivos de procesamiento de datos de alto rendimiento. ^{[ 12 ]}

La capacidad de controlar dinámicamente las propiedades plasmónicas de los materiales en estos nanodispositivos es clave para su desarrollo. Recientemente se ha demostrado un nuevo enfoque que utiliza interacciones plasmón-plasmón. En este caso, la resonancia plasmónica volumétrica se induce o suprime para manipular la propagación de la luz. ^{[ 13 ]} Se ha demostrado que este enfoque tiene un alto potencial para la manipulación de la luz a nanoescala y el desarrollo de un modulador plasmónico electroóptico totalmente compatible con CMOS , considerado un componente clave futuro en los circuitos fotónicos a escala de chip. ^{[ 14 ]}

Algunos otros efectos superficiales, como la dispersión Raman intensificada en superficie y la fluorescencia intensificada en superficie, son inducidos por plasmones superficiales de metales nobles ; por lo tanto, se desarrollaron sensores basados ​​en plasmones superficiales. ^{[ 15 ]}

En la generación de segundo armónico superficial , la señal de segundo armónico es proporcional al cuadrado del campo eléctrico. El campo eléctrico es más intenso en la interfaz debido al plasmón superficial, lo que produce un efecto óptico no lineal . Esta señal más intensa se suele aprovechar para generar una señal de segundo armónico más fuerte. ^{[ 16 ]}

La longitud de onda y la intensidad de los picos de absorción y emisión relacionados con el plasmón se ven afectadas por la adsorción molecular, lo que puede utilizarse en sensores moleculares. Por ejemplo, se ha fabricado un prototipo completamente funcional para la detección de caseína en la leche. El dispositivo se basa en la monitorización de los cambios en la absorción de luz relacionada con el plasmón por una capa de oro. ^{[ 17 ]}

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