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表面プラズモン( SP ) は、誘電関数の実部が界面を挟んで符号が変わる 2 つの材料間の界面 (空気中の金属シートなどの金属-誘電体界面) に存在するコヒーレントな非局在化電子振動です。SP は、電子ガス(またはプラズマ)のバルク内の正イオンコアの周りの縦方向の電子振動を量子化するバルク (または体積)プラズモンよりもエネルギーが低くなります。
表面プラズモンの電荷運動は、常に金属の外側（および内側）に電磁場を生成します。電荷運動と関連する電磁場の両方を含む全体的な励起は、平面界面における表面プラズモンポラリトン、または小さな粒子の閉じた表面における 局所表面プラズモンと呼ばれます。
表面プラズモンの存在は、1957年にルーファス・リッチーによって初めて予測されました。[1]その後の20年間で、表面プラズモンは多くの科学者によって広範囲に研究されました。その筆頭が1950年代と1960年代のT. トゥルバダール、 1960年代と1970年代のEN エコノモウ、ハインツ・ラーター、E. クレッチマン、A. オットーです。フォトニクスと同様に、表面プラズモンによるナノスケール構造の情報伝達は、プラズモニクスと呼ばれています。[2]
表面プラズモンポラリトン
励起
表面プラズモンポラリトンは電子[3]または光子によって励起される。光子の場合は直接励起することはできず、プリズム、格子、または金属表面の欠陥が必要となる。[4]
分散関係
低周波では、SPPはゾンマーフェルト・ツェネック波に近づき、分散関係（周波数と波数ベクトルの関係）は自由空間の場合と同じになります。高周波では、分散関係は曲がり、「プラズマ周波数」と呼ばれる漸近限界に達します[4]（右図を参照）。[a]詳細については、表面プラズモンポラリトンを参照してください。
伝搬長と表皮深さ
SPP が表面に沿って伝播すると、金属への吸収によりエネルギーを失います。また、自由空間や他の方向への散乱によってもエネルギーを失うことがあります。電界は金属表面に対して垂直に徐々に減衰します。低周波数では、金属への SPP の浸透深さは、通常、表皮深さの式を使用して近似されます。誘電体では、電界ははるかにゆっくりと減衰します。SPP は表皮深さ内のわずかな摂動に非常に敏感であるため、SPP は表面の不均一性を調べるためによく使用されます。[4]詳細については、表面プラズモンポラリトンを参照してください。
局在表面プラズモン
局所表面プラズモンはナノ粒子を含む小さな金属物体で発生する。システムの並進不変性が失われるため、 SPPのように波数ベクトルで記述することはできない。また、SPPの連続分散関係とは異なり、粒子の電磁モードは離散化されている。 [7]
LSPは入射波によって直接励起される。LSPモードへの効率的な結合は共鳴に対応し、吸収と散乱に起因し、局所場の増強が増加する。[7] LSP共鳴は粒子の形状に大きく依存し、球状粒子はミー理論によって解析的に研究することができる。[4] [7]
実験的応用
表面プラズモンの励起は、表面プラズモン共鳴（SPR）と呼ばれる実験技術で頻繁に使用されます。SPRでは、プリズムカップラーからの反射パワーを入射角または波長の関数として監視することで、表面プラズモンの最大励起が検出されます。この技術は、厚さ、密度の変動、または分子吸収のナノメートル単位の変化を観察するために使用できます。最近の研究では、SPRを使用して、エリプソメトリーでは結果が得られなかった多層システムの光学インデックスを測定できることも示されています。 [8] [9]
表面プラズモンベースの回路は、高性能データ処理ナノデバイスで使用するための光回路のサイズ制限を克服する手段として提案されている。[10]
これらのナノデバイスにおける材料のプラズモン特性を動的に制御する能力は、その開発の鍵となる。プラズモン-プラズモン相互作用を使用する新しいアプローチが最近実証された。ここでは、バルクプラズモン共鳴が誘導または抑制され、光の伝播が操作される。[11]このアプローチは、ナノスケールの光操作と、チップスケールの光回路の将来の主要コンポーネントになると言われている完全にCMOS互換の電気光学プラズモン変調器の開発に大きな可能性があることが示された。[12]
表面増強ラマン散乱や表面増強蛍光などの他の表面効果は貴金属の表面プラズモンによって引き起こされるため、表面プラズモンに基づいたセンサーが開発されました。[13]
表面第二高調波発生では、第二高調波信号は電場の2乗に比例します。界面では表面プラズモンにより非線形光学効果が生じるため電場が強くなります。この大きな信号は、より強い第二高調波信号を生成するためによく利用されます。[14]
プラズモン関連の吸収および発光ピークの波長と強度は分子吸着の影響を受け、分子センサーで使用することができます。例えば、牛乳中のカゼインを検出する完全に機能するプロトタイプデバイスが製造されています。このデバイスは、金層によるプラズモン関連の光吸収の変化を監視することに基づいています。[15]
参照
- バイオセンサー
- 二重偏光干渉計
- 優れた光伝送
- 自由電子モデル
- ギャップ表面プラズモン
- 熱アシスト磁気記録
- マルチパラメトリック表面プラズモン共鳴
- プラズマ振動
- プラズモニックレンズ
- プラズモニクス（ジャーナル）
- スピンプラズモニクス
- 表面プラズモン共鳴顕微鏡
- プラズマの波
注記
参考文献
- ^ Ritchie, RH (1957年6月). 「薄膜中の高速電子によるプラズマ損失」. Physical Review . 106 (5): 874–881. Bibcode :1957PhRv..106..874R. doi :10.1103/PhysRev.106.874.
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