Наноплазмоника. 
Наноэлектроника

Кванты плазмы твердых тел

Наноплазмоника является направлением в наноэлектронике, 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 разрабатываются приборы и устройства обработки и хранения информации на основе плазмонов.

Под плазмонами, или волнами электронной плотности, будем понимать квант колебаний в плазме твердых тел. Флуктуации (колебания) зарядовой плотности коллектива электронов создают электрическое ноле, вызывающее ток для восстановления электронейтральности твердого тела. По инерции носители заряда «проскакивают» положение равновесия и возбуждают коллективные колебания носителей (рис. 5.90).

Рис. 5.90. Фазы свободных колебаний электронов относительно кристаллической решетки.

В фазе 1 электроны не смещены относительно решетки. В фазе 2 под действием импульса света электроны смещаются влево от кристаллической решетки. Одновременно возникает сила притяжения между зарядами разного знаков, которая способствует возвращению электронов в положение равновесия (фаза 3). Силы инерции не позволяют электронам зафиксировать положение равновесия, и они оказываются справа от кристаллической решетки в фазе 4. Процесс периодически повторяется.

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, которые распространяются вдоль его границы с диэлектриком. 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», и в одномерных структурах, например в металлической нанопроволоке. На рис. 5.91 представлена схема формирования поверхностного плазмона на границе раздела «металл — диэлектрик».

Следует отметить, что при одинаковой частоте волновой вектор поверхностного плазмона больше волнового вектора фотона в свободном пространстве, поэтому нет механизма возбуждения плазмона фотонами. Поверхностные плазмоны могут взаимодействовать с фотонами, образуя при этом ноляритоны. Энергия плазмонов связана с частотой плазменных колеба;

Рис. 5.91. Схема формирования поверхностного плазмона на границе «металл — диэлектрик» ний Е = heо классическим соотношением, где h — 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 нарушения полного внутреннего отражения, метод поверхностной дифракционной решетки, метод нелокализованных источников света и др. Наблюдение поверхностных плазмонов можно осуществлять методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), при котором измеряется зависимость коэффициента отражения R_p — р-поляризованного света от угла падения или от длины волны излучения. Если R_p = 0, то вся энергия световой волны переходит в поверхностные илазмоны. При совпадении частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмоиа 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.

Нанонлазмоника является междисциплинарной наукой, берущей начало в физике, оптике, химии, биологии, математических дисциплинах. Интересен поверхностный плазмонпый резонанс, возникающий при условии равенства импульсов поверхностного плазмона и компоненты вектора импульса фотона, параллельного поверхности. Импульс плазмона зависит от процессов, протекающих на поверхности пленки, например адсорбции на нем различных биомолекул. Импульс фотона в свою очередь зависит от угла падения и его энергии, т. е. длины волны.

Оптические наноструктуры на основе плазмонов позволяют создать световой канал, диаметр которого много меньше X (в то время как в обычных световодах минимальный диаметр должен быть не меньше, чем Х/2п). Если в обычных световодах радиус кривизны изгиба должен быть не меньше X, 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 по исследованию 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 потери достаточно велики.