возможность линейной экстраполяции, в результате которой была получена однородная ширина резонанса с собственной частотой 2.93 эВ hom(2:93) = (230 ± 20)мэВ, которая соответствует времени дефазировки локализованного плазмона T2(2:93) = (5:7 ± 0:5) фс.

В работе [49] метод выжигания спектральных провалов был использован для определения времени дефазировки локализованных плазмонов в зависимости от размера наночастиц. Было показано, что время дефазировки не зависит от радиуса частицы в интервале от 4 до 12 нм. Это исследование было продолжено в [51] на частицах с радиусом до 2 нм. В этом случае обнаружилось сокращение времени дефазировки, которое можно связать со столкновениями электронов с поверхностью наночастицы [1]. Было обнаружено также сокращение времени дефазировки в наночастицах, расположенных на поверхности кварца, по сравнению с наночастицами на поверхности сапфира. Этот эффект можно связать с различным характером рассеяния электронов на поверхности раздела между металлом и подложкой в зависимости от электронной структуры материала подложки [23, 53, 54]. В работе [52] с помощью метода выжигания спектральных провалов было исследовано влияние адсорбции газов на поверхности металлических наночастиц на время дефазировки локализованных в них плазмонных возбуждений.

5.6.Применения металлических наночастиц, связанные с их оптическими свойствами

Применения металлических наночастиц, основанные на их особых оптических свойствах, используют большие сечения поглощения оптического излучения, селективный характер этого поглощения и высокую концентрацию электромагнитной энергии вблизи наночастиц в области, много меньшей длины волны излучения.

В работах [55–57] предложено использовать металлические наночастицы для повышения квантового выхода быстродействующих фотодетекторов. Ультрабыстрые фотодетекторы могли бы найти многочисленные применения в оптических сетях особенно для связи между модулями интегральных схем. К сожалению, быстродействие фотодетектора жестко связано с его толщиной: чем толще кристалл, тем больше времени занимает диффузия носителей к его границам. С другой стороны, утоньшение кристалла приводит к снижению его поглощения и, следовательно, квантового выхода фотодетектора. Таким образом, в настоящее время повышение быстродействия может быть достигнуто только ценой уменьшения квантового выхода. Особенно неблагоприятная ситуация складывается в случае наиболее технологичного материала – кремния, который обладает непрямой запрещенной зоной и вследствие этого относительно слабым поглощением. В литературе имеются сведения о демонстрации фотодетекторов со структурой металл—полупроводник—металл и толщиной кремния 3 мкм, работающих на частотах до 1 ГГц, а также с толщиной 100 нм, работающих на частотах до 140 ГГц. Однако квантовая

316 А.М. Бонч-Бруевич, Т.А. Вартанян, С.Г. Пржибельский

эффективность таких устройств низка. Падающий на фотодетектор свет может быть использован значительно лучше в том случае, если на поверхности устройства создать слой наноразмерных металлических кластеров. Физическая причина увеличения квантового выхода состоит в том, что металлическая частица может поддерживать высокодобротные коллективные колебания входящих в нее электронов – локализованные поверхностные плазмоны. Выбором подходящего материала, а также формы и размеров частиц можно добиться резонанса между собственными плазмонными колебаниями металлических наночастиц и падающим излучением. В этом случае металлическая наночастица действует как настроенная в резонанс антенна, многократно увеличивая вблизи себя интенсивность падающего излучения. В результате эффективное поглощение в фоточувствительном слое также многократно возрастает.

Высокая концентрация энергии вблизи металлических наночастиц при возбуждении в них резонансных плазмонных колебаний стала основой для предложений использовать цепочку близко расположенных частиц как эффективный проводник возбуждений, способный работать на оптических частотах. По сравнению с оптическими волноводами такое устройство обладает тем преимуществом, что его поперечный размер не связан с длиной волны излучения и, следовательно, может быть сделан много меньше поперечного сечения волновода, который при малых сечениях теряет способность эффективно удерживать электромагнитное поле внутри себя. Дополнительным преимуществом является также возможность передавать электромагнитную энергию вдоль цепочки наночастиц, расположенных не прямолинейно и не по плавной кривой с закруглениями большого радиуса, а по резко изломанной траектории. Авторы работы [58], озаглавленной “Плазмоника – путь к наноразмерным оптическим устройствам”, рассчитали такие устройства и проверили свои расчеты на увеличенной модели с использованием излучения с длиной волны 3.7 см. Было показано, что излучение эффективно направляется вдоль структуры, в том числе при повороте под прямым углом, причем 90% энергии было сосредоточено на расстоянии одной двадцатой части длины волны. Для изготовления прототипа реального устройств с размером элементов 50 нм была использована электронно-лучевая литография, а при использовании атомно-силового микроскопа были получены структуры с размером элементов 30 нм. Серьезной проблемой при реализации плазмонных волноводов могут быть потери, которые согласно теоретическим оценкам [59] приводят к постоянной затухания порядка 1 мкм−1.

Концентрацию электромагнитного поля вблизи металлических наночастиц можно использовать для создания оптического пинцета [60]. Известно, что пондеромоторная сила втягивает диэлектрические частицы в область сильного поля. Поскольку область высокой плотности энергии вблизи резонансно возбужденной металлической наночастицы имеет порядок ее собственных размеров, оптический пинцет, использующий такую наночастицу, может обладать высоким пространственным разрешением. Это устройство

может быть использовано, в частности, для манипуляций биологическими объектами в водных растворах, поскольку биологические материалы имеют показатель преломления, близкий к 1.4, что заметно больше, чем показатель преломления воды, равный 1.33. Таким образом биологические объекты будут втягиваться в область сильного поля вблизи металлической наночастицы и в водных растворах.

5.7. Заключение

В оптике металлических наноструктур остается еще много нерешенных вопросов как фундаментального, так и технологического характера. С теоретической точки зрения наиболее интересные проблемы состоят в последовательном учете поверхностных эффектов при описании коллективных электронных возбуждений в системах с больших числом электронов. Если эти проблемы будут решены, станет ясно, каковы предельно достижимые добротности коллективных электронных возбуждений. С практической точки зрения наибольший интерес представляет поиск недорогих технологий массового производства однородных ансамблей металлических частиц с заданными формами и размерами. Несмотря на значительные трудности, возникающие при решении указанных выше проблем, металлические наноструктуры находят все более широкое практическое применение.

Работа была поддержана Российским Фондом фундаментальных исследований (грант 03-02-16168), Государственной программой поддержки научных школ (грант НШ270.2003.2), а также ICTS грант 2679.

Список литературы

[1]U. Kreibig, M. Vollmer: Optical properties of metal clusters, Springer Series in Materials Sciencies, v.25 (Springer, Berlin 1995)

[2]C.F. Bohren, D.R. Huffman: Absorption and scattering of light by Small Perticles (Wiley, New York 1983)

[3]G. Mie: Ann.Phys. 25, 377 (1908)

[4]D. Pines: Phys. Rev. 92, 626 (1953)

[5]W. Ekardt: Phys. Rev. B 31, 6360 (1985)

[6]C. Sonnichsen, T. Franzl, T. Wilk, G. von Plessen, J. Feldmann: New Journal of Physics 4, 93 (2002)

[7] C. Sonnichsen, S. Geier, N.E. Hecker, G. von Plessen, J. Feldmann, H. Ditlbacher, B. Lamprecht, J.R. Krenn, F.R. Aussenegg, V.Z. Chan, J.P. Spatz, M. Moller: Appl. Phys. Lett. 77, 2949 (2000)

[8]N. Nilius, N. Ernst, H.-J. Freund: Phys. Rev. Let. 84, 3994 (2000)

[9]T. Gotz, W. Hoheisel, M. Vollmer, F. Trager: Z. Physik D, 33, 133 (1995)

[10]J.H. Parks, S.A. McDonald: Phys. Rev. Lett. 62, 2301 (1989)

318А.М. Бонч-Бруевич, Т.А. Вартанян, С.Г. Пржибельский

[11]M. Scharte, R. Porath, T. Ohms, M. Aeschlimann, J.R. Krenn, H. Ditlbacher, F.R. Aussenegg, A. Liebsch: Appl. Phys. B 73, 305 (2001)

[12]C. Sоnnichsen, T. Franzl, T. Wilk, G. von Plessen, J. Feldmann, O. Wilson,

P.Mulvaney: Phys. Rev. Lett. 88, 077402 (2002)

[13]M.B. Mohamed, V. Volkov, S. Link, M.A. El-Sayed: Chem. Phys. Lett. 317, 517 (2000)

[14]J.P. Kottmann, O.J.F. Martin, D.R. Smith, S. Schultz: Optics Express 6, 213 (2000)

[15]S.M. Nie, S.R. Emory: Science 275, 1102 (1997)

[16]H. Xu, J. Aizpurua, M. Kall, P. Apell: Phys. Rev. E 62, 4318 (2000)

[17]K. Kneipp, H. Kneipp, V.B. Kartha, R. Manoharan, G. Deinum, I. Itzkan,

R.R.Dasari, M.S. Feld: Phys. Rev. E 57, R6281 (1998)

[18]K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R.R. Dasari, M.S. Feld: Chem. Rev. 99, 2957 (1999)

[19]A.M. Michaels, J. Jiang, L. Brus: J. Phys. Chem. B 104, 11965 (2000)

[20]H. Xu, E.J. Bjemeld. M. Kall, L. Borjesson: Phys. Rev. Lett. 83, 4357 (1999)

[21]V.A. Markel, V.M. Shalaev, P. Zhang, W. Huynh, L. Tay, T.L. Haslett,

M.Moskovits: Phys. Rev. B 59, 10903 (1999)

[22]В.А. Кизель: Отражение света (Наука, Москва 1973)

[23]B.N.J. Persson: Surface Science 281, 153 (1993)

[24]T.R. Jensen, M.L. Duval, K.L. Kelly, A.A. Lazarides, G.C. Schatz, R.P. Van Duyne: J. Phys. Chem. B 103, 9846 (1999)

[25]M.D. Malinsky, K.L. Kelly, G.C. Schatz, R.P.J. Van Duyne: Phys. Chem. B 105, 2343 (2001)

[26]A. Hilgera, N. Cuppers, M. Tenfelde, U. Kreibig: Eur. Phys. J. D 10, 115 (2000)

[27]A. Pinchuk, U. Kreibig, A. Hilger: Surface Science 557, 269 (2004)

[28]N. Blombergen, Y.R. Shen: Phys. Rev. 141, 141 (1966)

[29]E.K.L. Wong, G.L. Richmond: J. Chem. Phys. 99, 5500 (1993)

[30]A. Leitner: Molecular Phys. 70, 197 (1990)

[31]A. Wokaun: Solid State Phys. 38, 223 (1984)

[32] B. Palpant, H. Portales, L. Saviot, J. Lermer, B. Prervel, M. Pellarin,

E. Duval, A. Perez, M. Broyer: Phys. Rev. B 60, 17107 (1999)

[33]А.М. Бонч-Бруевнч, Т.А. Вартанян, Н.Б. Леонов, С.Г. Пржибельский, В.В. Хромов: Опт. спектр. 89, 438 (2000)

[34]А.М. Бонч-Бруевич, Т.А. Вартанян, Н.Б. Леонов, С.Г. Пржибельский, В.В. Хромов: Опт. спектр. 91, 830 (2001)

[35]M. Simon, F. Traeger,¨ A. Assion, B. Lang, S. Voll, G. Gerber: Chem. Phys. Lett. 296, 579 (1998)

[36]B. Lamprecht, A. Leitner, F.R. Aussenegg: Appl. Phys. B. 64, 269 (1997)

[37]T. Vartanyan, M. Simon, F. Trager:¨ Appl. Phys. B. 68, 425 (1999)

[38]Т.А. Вартанян, Ф. Трегер: Известия акад. наук, сер. физич. 65, 581 (2001)

[39]S. Mukamel: Principles of Nonlinear Optical spectroscopy (Oxford University Press, New York, 1995)

[40]А.В. Карпов, А.К. Попов, С.Г. Раутиан, В.П. Сафонов, В.В. Слабко, В.М. Шалаев, М.И. Штокман: ЖЭТФ 48, 528 (1988)

[41]A.V. Butenko, P.A. Chubakov, Yu.E. Danilova, S.V. Karpov, A.K. Popov, S.G. Rautian , V.P. Safonov, V.V. Slabko, V.M. Shalaev, M.I. Stokman: Z. Phys. D. 17, 283 (1990)

[42]V.P. Safonov, V.M. Shalaev, V.A. Markel, Yu.E. Danilova, N.N. Lepeshkin, W. Kim, S.G. Rautian, R.L. Armstrong: Phys. Rev. Lett. 80, 1102 (1998)

[43]F. Stietz, F. Trager:¨ Philosoph. Mag. B. 79, 1281 (1999)

[44]A.M. Prokhorov, V.I. Konov, I. Ursu , I.N. Mihailescu: Laser heating of metals (IOP Publishing Ltd. 1990)

[45]М. Абрамовиц, И. Стиган: Справочник по специальным функциям (Наука, Москва 1979)

[46]F. Stietz, J. Bosbach, T. Wenzel, T. Vartanyan, A. Goldmann, F. Trager:¨ Phys. Rev. Lett. 84, 5644 (2000)

[47]T. Vartanyan, J. Bosbach, F. Stietz, F. Trager:¨ Appl. Phys. B. 73, 391 (2001)

[48]J. Bosbach, C. Hendrich, F. Stietz, T. Vartanyan, T. Wenzel, F. Trager:¨ SPIE Proceedings 4274, 1 (2001)

[49]J. Bosbach, C. Hendrich, T. Vartanyan, F. Stietz, F. Trager:¨ Eur. Phys. J. D. 16, 213 (2001)

[50]T. Vartanyan, J. Bosbach, C. Hendrich, F. Stietz, F. Trager:¨ SPIE Proceedings 4636, 31 (2002)

[51]J. Bosbach, C. Hendrich, F. Stietz, T. Vartanyan, F. Trager:¨ Phys. Rev. Lett. 89, 257404 (2002)

[52]C. Hendrich, J. Bosbach, F. Stietz, F. Hubenthal, T. Vartanyan, F. Trager:¨ Appl. Phys. B. 76, 869 (2003)

[53]H. Hoevel, S. Fritz, A. Hilger, U. Kreibig, M. Vollmer: Phys. Rev. B. 48, 18178 (1993)

[54]U. Kreibig, M. Gartz, A. Hilger: Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 101, 1593 (1997)

[55]E. Chen, S.Y. Chou: Appl. Phys. Lett. 70, 753 (1997)

[56]B.F. Levine, J.D. Wynn, F.P. Klemens, G. Sarusi: Appl. Phys. Lett. 66, 2984 (1995)

[57]H.R. Stuart, D.G. Hall: Appl. Phys. Lett. 73, 3815 (1998)

[58]S.A. Maier, M.L. Brongersma, P.G. Kik, S. Meltzer, A.A.G Requicha, H.A. Atwater: Adv. Mater. 13, 1501 (2001)

[59]M. Quinten, A. Leitner, J.R. Krenn, F.R. Aussenegg: Optics Lett. 23, 1331 (1998)

[60]L. Novotny, R.X.Bian, X.S.Xie: Phys. Rev. Lett. 79, 645 (1997)