Plasmón de superficie
Los plasmones superficiales ( SP ) son oscilaciones electrónicas deslocalizadas y coherentes que existen en la interfaz entre dos materiales cualesquiera donde la parte real de la función dieléctrica cambia de signo a lo largo de la interfaz (por ejemplo, una interfaz metal-dieléctrica, como una lámina de metal en el aire). Los SP tienen menor energía que los plasmones en masa (o de volumen) que cuantifican las oscilaciones electrónicas longitudinales alrededor de los núcleos de iones positivos dentro de la masa de un gas de electrones (o plasma).
El movimiento de carga en un plasmón de superficie siempre crea campos electromagnéticos fuera (y 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] En las dos décadas siguientes, los plasmones de superficie fueron estudiados ampliamente por muchos científicos, los más destacados de los cuales fueron T. Turbadar en las décadas de 1950 y 1960, y EN 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 , por medio de plasmones de superficie, se conoce como plasmónica . [2]
Polaritones plasmónicos de superficie
Excitación
Los polaritones plasmónicos de superficie pueden ser excitados por electrones [3] o fotones. En el caso de los fotones, no se puede hacer directamente, sino que se requiere un prisma, una rejilla o un defecto en la superficie del metal. [4]
Relación de dispersión
A baja frecuencia, un SPP se aproxima a una onda 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 desvía y alcanza un límite asintótico llamado " frecuencia de plasma " [4] (ver figura a la derecha). [a] Para más detalles, véase polaritón plasmónico de superficie .
Longitud de propagación y profundidad de la piel
A medida que un SPP se propaga a lo largo de la superficie, pierde energía en 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 disminuye de forma evanescente perpendicular a la superficie del metal. A bajas frecuencias, la profundidad de penetración del SPP en el metal se suele aproximar utilizando 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 superficial y, debido a esto, a menudo se utilizan para sondear las inhomogeneidades de una superficie. [4] Para obtener más detalles, consulte polaritón plasmónico de superficie .
Plasmones superficiales localizados
| Física de la materia condensada |
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Los plasmones superficiales localizados surgen en objetos metálicos pequeños, 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]
Las LSP se pueden excitar directamente a través de ondas incidentes; el acoplamiento eficiente a los modos LSP corresponde a resonancias y se puede atribuir a la absorción y dispersión , con mejoras incrementadas del campo local. [7] Las resonancias LSP dependen en gran medida de la forma de la partícula; las partículas esféricas se pueden estudiar analíticamente mediante la teoría de Mie . [4] [7]
Aplicaciones experimentales
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 mediante el monitoreo de la potencia reflejada desde un acoplador de prisma en función del ángulo de incidencia 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 SPR se puede utilizar para medir los índices ópticos de sistemas multicapa, donde la elipsometría no logró dar un resultado. [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 plasmónica en masa 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 escala nanométrica 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]
Otros efectos de superficie, como la dispersión Raman mejorada y la fluorescencia mejorada, son inducidos por plasmones de superficie de metales nobles , por lo que se desarrollaron sensores basados en plasmones de superficie. [13]
En la generación de segundo armónico superficial , 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, lo que genera un efecto óptico no lineal . Esta señal más grande se suele aprovechar 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 afectados por la adsorción molecular que se puede utilizar en sensores moleculares. Por ejemplo, se ha fabricado un prototipo de dispositivo totalmente operativo que detecta la caseína en la leche. El dispositivo se basa en el seguimiento de los cambios en la absorción de luz relacionada con el plasmón por una capa de oro. [15]
Véase también
- Biosensor
- Interferometría de polarización dual
- Transmisión óptica extraordinaria
- Modelo de electrón libre
- Plasmón de superficie de brecha
- Grabación magnética asistida por calor
- Resonancia plasmónica de superficie multiparamétrica
- Oscilación de plasma
- Lente plasmónica
- Plasmónica (revista)
- Spinplasmónica
- Microscopía de resonancia plasmónica de superficie
- Ondas en plasmas
Notas
- ^ Esta relación de dispersión sin pérdidas ignora los efectos de los factores de amortiguamiento , como las pérdidas intrínsecas en los metales. En los casos con pérdidas, la curva de dispersión se curva hacia atrás después de alcanzar la frecuencia del plasmón de superficie en lugar de aumentar asintóticamente. [5] [6]
Referencias
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