3 Наноплазмоника

3.1 Кванты плазмы твердых тел

Наноплазмоника — направление в нанооптике, в котором изучаются оптические свойства и явления, возникающие при колебаниях электронов проводимости в металлических частицах, наноструктурах и взаимодействия этих колебаний со световой волной, атомами и молекулами, а также разработка приборов и устройств обработки и хранения информации на основе плазмонов. Под плазмонами (волнами электронной плотности) понимают квант плазменных колебаний в плазме твердых тел. Флуктуации (колебания) зарядовой плотности коллектива электронов создают электрическое поле, вызывающее ток для восстановления электронейтральности твердого тела. По инерции носители заряда «проскакивают» положение равновесия и возбуждают коллективные колебания носителей. Плазмоны распространяются вдоль границы раздела металла и диэлектрика. Различают объемные плазмоны, которые описывают колебания электронов проводимости внутри ионной решетки кристалла и поверхностные плазмоны. По своей природе поверхностные плазмоны представляют собой кванты колебаний плотности свободных электронов металла. Они могут существовать в области непрозрачности металла и имеют сильную локализацию в пространстве на оптических частотах. Такого рода колебания могут происходить в двумерных структурах, например, на границе металл–диэлектрик (рисунок 4) и в одномерных структурах, например, в металлической нанопроволоке.

Рисунок 4 - Схема формирования поверхностного плазмона на границе металл–диэлектрик

Следует отметить, что при одинаковой частоте волновой вектор поверхностного плазмона больше волнового вектора фотона в свободном пространстве, и поэтому механизма возбуждения плазмона фотонами не существует. Поверхностные плазмоны могут взаимодействовать с фотонами, образуя при этом поляритоны. Энергия плазмонов связана с частотой плазменных колебаний E=ћw — классическим соотношением, где ћ — постоянная Планка. Свет с частотой ниже плазменной частоты будет отражаться, в то время как свет с частотой выше плазменной будет проходить внутрь твердого тела. Как правило, у большинства металлов плазменная частота находится в ультрафиолетовой области спектра, делая их блестящими в видимом диапазоне.

В легированных полупроводниках плазменная частота обычно находится в инфракрасной области спектра. Существуют различные методы возбуждения поверхностных плазмонов, среди которых метод нарушенного полного внутреннего отражения, метод поверхностной дифракционной решетки, метод нелокализованных источников света и другие методы. Наблюдение поверхностных плазмонов можно осуществлять методом нарушенного полного внутреннего отражения, при котором измеряется зависимость коэффициента отражения R_p для р-поляризованного света от угла падения или от длины волны излучения. Если R_p = 0, то вся энергия световой волны переходит в поверхностные плазмоны. При совпадении частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмона возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения поглощения. Свойства локализованных плазмонов сильно зависят от формы наночастиц, и это помогает настраивать систему на эффективное взаимодействие со светом и другими квантовыми системами. Наноплазмоника — междисциплинарная наука, берущая свое начало в физике, оптике, химии, биологии, математических дисциплинах.

Оптические наноструктуры на основе плазмонов позволяют создать световой канал, диаметр которого много меньше λ (в то время как в обычных световодах минимальный диаметр должен быть не меньше, чем λ/2n) . Если в обычных световодах радиус кривизны изгиба должен быть не меньше λ, то «плазменный световод» можно изогнуть под прямым углом без потерь. Плазменные наноструктуры позволят создать разветвители, переключатели и другие оптические устройства, размеры которых будут меньше длины волны. Возможно создание плазменных наноструктур, обладающих гиротропными свойствами, управляемыми внешним магнитным полем. Это позволит реализовать вентили, циркуляторы и другие невзаимные магнитооптические устройства, аналогичные волноводно-ферритовым устройствам, широко применяемым в технике СВЧ. В настоящее время уже появились первые результаты исследования плазменных наноструктур, образованных одномерной решеткой из металлических элементов, диаметр которых составляет несколько десятков нанометров, расположенных друг за другом. Предельные размеры плазменных устройств при обычных температурах будут ограничены несколькими длинами волн, так как в области плазменного резонанса, как показывают первые измерения, потери достаточно велики.