En física , un plasmón es un cuanto de oscilación de plasma . Así como la luz (una oscilación óptica) está formada por fotones , la oscilación de plasma está formada por plasmones. El plasmón puede considerarse como 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 de gas de electrones libres . Por ejemplo, a frecuencias ópticas, los plasmones pueden acoplarse con un fotón para crear otra cuasipartícula llamada polaritón plasmónico .
El campo de estudio y manipulación de los plasmones se llama plasmónica .
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 clásicas del plasma, la mayoría de sus propiedades pueden derivarse directamente de las ecuaciones de Maxwell . [3]
Los plasmones pueden describirse 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 los 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 de un lado a otro 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.
Los plasmones juegan un papel muy importante en las propiedades ópticas de los 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 apantallan 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 apantallarla. En la mayoría de los metales, la frecuencia del plasma está en el ultravioleta , lo que los hace brillantes (reflectivos) en el rango visible. Algunos metales, como el cobre [4] y el oro [5] tienen transiciones electrónicas entre bandas en el rango visible, por las cuales se absorben energías de luz específicas (colores), lo que produce su color distintivo. En los semiconductores , la frecuencia del plasmón del electrón 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), lo que produce 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 cercano cuando los semiconductores están en forma de nanopartículas con un fuerte dopaje. [8] [9]
La energía del plasmón a menudo se puede estimar en el modelo de electrones libres como
donde es la densidad electrónica de conducción , es la carga elemental , es la masa del electrón , la permitividad del espacio libre , la constante de Planck reducida y la frecuencia del plasmón .
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] Se producen 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 la luz, típicamente un metal o semiconductores altamente 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 típicamente debería ser 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 visibles, por ejemplo, la longitud de onda de 632,8 nm proporcionada por un láser He-Ne, las interfaces que soportan plasmones superficiales a menudo están formadas por metales como plata u oro (permitividad de la 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 superficiales 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 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. informan del uso de las multicapas como si fuera un material plasmónico. [12] La oxidación de las capas de cobre se evita con la adición de las capas de níquel. El cobre es un material plasmónico que se puede utilizar fácilmente para la integración de la plasmónica, ya que 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 una transmisión de hasta el 40 por ciento con una incidencia normal con el sistema multicapa, dependiendo de la relación de espesores entre el cobre y el 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 de superficie mejorada 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 los ligandos que se unen a los receptores (es decir, la unión de un sustrato a una enzima ). La resonancia de plasmones de superficie multiparamétrica se puede utilizar 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.
Los plasmones de superficie también pueden observarse 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, los plasmones de superficie se han utilizado para controlar los colores de los materiales. [14] Esto es posible porque controlar 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 se ilustran con los vitrales históricos que adornan las catedrales medievales. Algunos colores de vitrales se producen mediante nanopartículas metálicas 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 . Mucha investigación se realiza primero en el rango de microondas porque en 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 de rango óptico implica hacer superficies que tengan características <400 nm . Esto es mucho más difícil y solo recientemente se ha vuelto posible hacerlo de alguna manera confiable o disponible.
Recientemente, también se ha demostrado que el grafeno aloja plasmones superficiales, observados mediante técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano [15] [16] y espectroscopia infrarroja. [17] Las posibles aplicaciones de la plasmónica de grafeno se dirigieron principalmente a las frecuencias de terahercios a infrarrojos medios, como moduladores ópticos, fotodetectores y biosensores. [18]
La posición y la intensidad de los picos de absorción y emisión de plasmones 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 superficiales localizados de nanopartículas metálicas se pueden utilizar para detectar 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 se vuelven muy susceptibles en el rango de decenas de GHz ). Sin embargo, para que la electrónica basada en plasmones sea práctica, se necesita crear un amplificador basado en plasmones análogo al transistor , llamado plasmonstor. [20]
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 sido demostradas con éxito 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, lo que ha llevado a su uso para medir el espesor de las monocapas en películas coloidales , como el cribado y la cuantificación de los eventos de unión de proteínas . Empresas como Biacore han comercializado instrumentos que funcionan según estos principios. L'Oréal y otras empresas están investigando los plasmones de superficie ópticos con vistas a mejorar el maquillaje . [21]
En 2009, un equipo de investigación coreano encontró una forma de mejorar enormemente la eficiencia de los diodos orgánicos emisores de luz 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), III-V de alto rendimiento, orgánicas y sensibilizadas con colorante. [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 utilizando plasmónica [25] .
Plasmón - solitón se refiere matemáticamente a la solución híbrida de la ecuación de amplitud no lineal, por ejemplo, para un medio metálico no lineal considerando tanto el modo plasmón como la solución solitaria. Por otro lado, una resonancia soliplasmónica se considera como una cuasipartícula que combina el modo plasmón superficial con el solitón espacial como resultado de una interacción resonante. [26] [27] [28] [29] Para lograr una propagación solitaria unidimensional en una guía de ondas plasmónica, mientras que los plasmones superficiales deben estar localizados en la interfaz, la distribución lateral de la envolvente de campo también debe permanecer inalterada.
La guía de ondas basada en grafeno es una plataforma adecuada para soportar solitones-plasmones híbridos debido a la gran área efectiva y la enorme no linealidad. [30] 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 difracción y no linealidad. [31] [32]
