Los plasmones de superficie ( SP ) son oscilaciones de electrones deslocalizados coherentes que existen en la interfaz entre dos materiales cualesquiera donde la parte real de la función dieléctrica cambia de signo a través de la interfaz (por ejemplo, una interfaz metal-dieléctrico, como una lámina de metal en el aire). Los SP tienen menor energía que los plasmones en masa (o en volumen) que cuantifican las oscilaciones longitudinales de los electrones alrededor de núcleos de iones positivos dentro de la masa de un gas (o plasma) de electrones.
El movimiento de carga en un plasmón superficial siempre crea campos electromagnéticos fuera (y también dentro) del metal. La excitación total , incluido tanto el movimiento de la carga como el campo electromagnético asociado, se denomina polaritón de plasmón superficial en una interfaz plana o plasmón superficial localizado para la superficie cerrada de una partícula pequeña.
La existencia de plasmones superficiales fue predicha por primera vez en 1957 por Rufus Ritchie. [1] En las dos décadas siguientes, los plasmones de superficie fueron estudiados exhaustivamente por muchos científicos, los más destacados fueron T. Turbadar en las décadas de 1950 y 1960, y EN Economou , Heinz Raether , E. Kretschmann y A. Otto en la década de 1960. y 1970. La transferencia de información en estructuras a nanoescala, similares a la fotónica , mediante plasmones de superficie se denomina plasmónica . [2]
Los polaritones de plasmón superficial pueden excitarse mediante electrones [3] o fotones. En el caso de los fotones, no se puede hacer directamente, sino que requiere un prisma, una rejilla o un defecto en la superficie del metal. [4]
A baja frecuencia, un SPP se aproxima a una onda de Sommerfeld-Zenneck , donde la relación de dispersión (relación entre frecuencia y vector de onda) es la misma que en el espacio libre. A una frecuencia más alta, la relación de dispersión se dobla y alcanza un límite asintótico llamado " frecuencia plasmática " [4] (ver figura a la derecha). [a] Para obtener más detalles, consulte polariton del plasmón de superficie .
A medida que un SPP se propaga a lo largo de la superficie, pierde energía hacia el metal debido a la absorción. También puede perder energía debido a la dispersión en el espacio libre o en otras direcciones. El campo eléctrico cae evanescentemente perpendicular a la superficie del metal. A bajas frecuencias, la profundidad de penetración del SPP en el metal comúnmente se aproxima usando la fórmula de profundidad superficial . En el dieléctrico, el campo disminuirá mucho más lentamente. Los SPP son muy sensibles a ligeras perturbaciones dentro de la profundidad de la piel y, debido a esto, los SPP se utilizan a menudo para investigar faltas de homogeneidad de una superficie. [4] Para obtener más detalles, consulte polariton del plasmón de superficie .
Los plasmones superficiales localizados surgen en pequeños objetos metálicos, incluidas las nanopartículas. Dado que se pierde la invariancia traslacional del sistema, no se puede 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. [7]
Los LSP pueden excitarse directamente a través de ondas incidentes; El acoplamiento eficiente a los modos LSP corresponde a resonancias y puede atribuirse a la absorción y la dispersión , con mayores mejoras del campo local. [7] Las resonancias LSP dependen en gran medida de la forma de la partícula; Las partículas esféricas pueden estudiarse analíticamente mediante la teoría de Mie . [4] [7]
La excitación de plasmones de superficie se utiliza con frecuencia en una técnica experimental conocida como resonancia de plasmones de superficie (SPR). En SPR, la excitación máxima de los plasmones de superficie se detecta monitoreando la potencia reflejada desde un acoplador de prisma en función del ángulo incidente o la longitud de onda . Esta técnica se puede utilizar para observar cambios nanométricos en el espesor, fluctuaciones de densidad o absorción molecular. Trabajos recientes también han demostrado que la SPR se puede utilizar para medir los índices ópticos de sistemas multicapa, donde la elipsometría no dio resultados. [8] [9]
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. [10]
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. Aquí se induce o suprime la resonancia masiva del plasmón para manipular la propagación de la luz. [11] 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 , que se dice que será un futuro componente clave en los circuitos fotónicos a escala de chip. [12]
Algunos otros efectos de superficie, como la dispersión Raman mejorada en la superficie y la fluorescencia mejorada en la superficie , son inducidos por el plasmón superficial de metales nobles , por lo que se desarrollaron sensores basados en plasmones superficiales. [13]
En la generación de segundo armónico de superficie , la señal del segundo armónico es proporcional al cuadrado del campo eléctrico. El campo eléctrico es más fuerte en la interfaz debido al plasmón superficial que produce un efecto óptico no lineal . Esta señal más grande a menudo se aprovecha para producir una señal de segundo armónico más fuerte. [14]
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 que se puede utilizar en sensores moleculares. Por ejemplo, se ha fabricado un prototipo de dispositivo totalmente operativo que detecta caseína en la leche. El dispositivo se basa en el seguimiento de los cambios en la absorción de luz relacionada con el plasmón por parte de una capa de oro. [15]