En física , un plasmón es un cuanto de oscilación del plasma . Así como la luz (una oscilación óptica) está formada por fotones , la oscilación del plasma está formada por plasmones. El plasmón puede considerarse como una cuasipartícula ya que surge de la cuantificación de oscilaciones del plasma, al igual que los fonones son cuantificaciones de vibraciones mecánicas. Por 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 polariton de plasmón .
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 el sentido clásico 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 que apunta hacia la derecha. Los electrones se moverán hacia el lado izquierdo (descubriendo iones positivos en el lado derecho) hasta cancelar 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 hacia adelante y hacia atrás 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 desempeñan un papel muy importante en las propiedades ópticas de los metales y semiconductores. Las frecuencias de la luz por debajo de la frecuencia del plasma son reflejadas por un material porque los electrones del material protegen el campo eléctrico de la luz. La luz de frecuencias superiores a la frecuencia del plasma es transmitida por un material porque los electrones del material no pueden responder lo suficientemente rápido para protegerlo. En la mayoría de los metales, la frecuencia del plasma es ultravioleta , lo que los hace brillantes (reflectantes) en el rango visible. Algunos metales, como el cobre [4] y el oro , [5] tienen transiciones electrónicas entre bandas en el rango visible, mediante las cuales se absorben energías luminosas específicas (colores), produciendo 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, donde se absorben energías luminosas específicas (colores), produciendo su color distintivo [6] [7], razón por la cual son reflexivos. 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 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 de electrones 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] 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 dada de ligero, normalmente 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 . [11] En longitudes de onda visibles de luz, por ejemplo, la longitud de onda de 632,8 nm proporcionada por un láser He-Ne, las interfaces que soportan los plasmones superficiales a menudo están formadas por metales como la plata o el oro (permisividad de la parte real negativa) en contacto con dieléctricos como el aire o el 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 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 de 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. Mladenović et al. informan el 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 capas de níquel. Es un camino fácil la integración de la plasmónica para utilizar cobre como material plasmónico porque es la opción más común para el revestimiento 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 relación 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 anomalías en la difracción de rejillas metálicas ( anomalía de Wood ), entre otras cosas. Los bioquímicos utilizan la resonancia de plasmón superficial 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 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 superficiales 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). [13]
Más recientemente se han utilizado plasmones de superficie 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 y propagarse a través de ella. Esto, a su vez, controla la interacción de la luz con la superficie. Estos efectos quedan ilustrados por las históricas vidrieras que adornan las catedrales medievales. Algunos colores de vidrieras son producidos por nanopartículas metálicas de un tamaño fijo que interactúan con el campo óptico para darle al vidrio un color rojo vibrante. En la ciencia moderna, estos efectos han sido diseñados tanto para la luz visible como para la radiación de microondas . Gran parte de la investigación se lleva a cabo primero en el rango de las microondas porque en esta longitud de onda, las superficies de los 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 plasmón superficial de rango óptico implica la creación de superficies que tienen características <400 nm . Esto es mucho más difícil y sólo recientemente ha sido posible hacerlo de alguna manera confiable o disponible.
Recientemente, también se ha demostrado que el grafeno se adapta a los plasmones de superficie, observados mediante técnicas de microscopía óptica infrarroja de campo cercano [15] [16] y espectroscopia infrarroja. [17] Las aplicaciones potenciales de la plasmónica de grafeno se dirigieron principalmente desde los terahercios a las frecuencias del infrarrojo medio, como moduladores ópticos, fotodetectores y biosensores. [18]
La posición y la intensidad de los picos de absorción y emisión de plasmones se ven afectadas por la adsorción molecular , que puede utilizarse 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 presentan muchas 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 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.
Por último, 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 espesor de monocapas en películas coloides , como la detección y cuantificación de eventos de unión a proteínas . Empresas como Biacore han comercializado instrumentos que operan según estos principios. L'Oréal y otros están investigando los plasmones de la superficie óptica con miras a mejorar la composición . [21]
En 2009, un equipo de investigación coreano encontró una manera de mejorar en gran medida la eficiencia de los diodos emisores de luz orgánicos mediante el uso de plasmones. [22]
Un grupo de investigadores europeos liderados por el IMEC ha comenzado a trabajar para mejorar la eficiencia y los costes 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), de alta -rendimiento III-V, orgánico y sensibilizado por 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 plasmónicos [25] .
Plasmon- solitón se refiere matemáticamente a la solución híbrida de una 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 de soliplasmón se considera una cuasipartícula que combina el modo de 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 de superficie deben localizarse en la interfaz, la distribución lateral de la envolvente del campo tampoco debe cambiarse.
La 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 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]
