Yüzey plazmonu

Yüzey plazmonları, yalıtkanlık sabitinin işaret değiştirdiği iki yüzey arasında uyarılabilen delokalize elektron salınımlarıdır; bunlara örnek olarak görünür ışıkta dielektrik ve metaller arası yüzeyler verilebilir. Plazmonlar plazma salınımlarının kuantasıdır; bu elektromanyetik dalgaların kuantizasyonunun fotonlar olmasıyla benzer durumdur. Yüzey plazmonları toplu plazmon salınımlarından daha az güce sahiptir; yüzey plazmonlarının aksine bu tip salınımlar Fermi gazlarında (ya da plazmalarda) boylamasına gerçekleşir.

Yüzey plazmonlarındaki elektron salınımları metalin içinde ve dışında elektron salınımları yaratır. Bu salınımların bütünü yüzey plazmon polaritonu ya da lokalize yüzey plazmonu olarak tanımlanmaktadır; yüzey plazmon polaritonu düzlemsel yüzeylerde oluşurken, lokalize yüzey plazmonu bir nanoparçacığın kapalı yüzeylerinde oluşmaktadır.

Yüzey plazmonları ilk kez 1957'de Rufus Ritchie tarafından teorize edilmiştir. Bundan sonraki senelerde yüzey plazmonları birçok fizikçi tarafından incelenmiştir: bunlar arasında T. Turbadar, Heinz Raether, E. Kretschmann ve A. Otto bulunmaktadır. Yüzey plazmonlarının veri aktarımı gibi kullanım alanlarının incelenmesi fotoniğin bir alt kolu olan plazmonik bilimine girer.

Yüzey plazmon polaritonları elektron veya fotonlarla uyarılabilir. Buna karşın fotonla uyarım elektromanyetik momentum korunumu nedeniyle doğrudan gerçekleştirilemez; bunun için prizma, ızgara (Bragg ızgarası) veya yüzey defektleri gerekmektedir.

Yüzey plazmonlarının uyarımı dalgaların yüzeydeki dispersiyon ilişkisine bağlıdır. Dispersiyon ilişkisi frekans ile dalga vektörü arasındaki ilişkiyi ifade eder; kırılma indisinin frekansa bağlı olması ile de tanımlanabilir.

Düşük frekanslarda yüzey plazmon polaritonları Sommerfeld-Zenneck dalgaları ismi verilen yüzey dalgalarına yakınsar; bu frekanslarda dispersion ilişkisi lineer ve boşlukla aynıdır. Artan frekanslarda dispersiyon fonksiyonu bükülür ve plazma frekansında asimptotik sınırına ulaşır.

Bu formülde yüzeydeki dalga vektörünü, ile ise yüzeydeki malzemelerin yalıtkanlık sabitidir. , açısal frekans ile ışık hızının oranı, boşluktaki dalga vektör sayısını ifade eder. Bu yüzeyde bir yüzey plazmon polaritonunun Maxwell denklemleri'ni sağlaması için bu formüle uyması gerekir.

Yüzey plazmon polaritonları yüzey boyunca yayıldıkça metalin görünür ışıkta kayıplı olması nedeniyle soğurulur. Aynı zamanda bu dalgalar saçılma ile de enerji kaybedebilir. Elektrik alan metal yüzeyine dik olarak uzaklaştıkça üstel bir biçimde azalır; bu tip dalgalara evanesan dalgalar (evanescent waves) adı verilir. Düşük frekanslarda bu dalgaların metalde erişebileceği derinlikler (deri derinliği) yüzey katmanı etkisi formülünü kullanarak yaklaşık olarak hesaplanabilir. Yüzeyin dielektrik kısmında elektrik alan metale göre daha yavaş bir biçimde azalır. Yüzey plazmon polaritonların deri derinliğine olan hassasiyeti yüzeylerdeki bozunmaları tespit etmek için kullanılmalarına önayak olmuştur.

Yüzey plazmon polaritonlarının uyarımı yüzey plazmon rezonansı (surface plasmon resonance) tekniğinde kullanılmatadır. Yüzey plazmon rezonansında maksimum uyarım (rezonans) bir prizmadan ışığın gönderim açısına ya da dalga boyuna göre yansıyan güç incelenerek bulunur. Bu teknik yüzey kalınlığında nanometre boyundaki farklılıkları, yoğunluk farklarını ya da moleküler soğurmaları tespit etmekte kullanılmaktadır. Son dönemlerdeki çalışmalar bu tekniği çok katmanlı yüzeylere uyarlamaktadır..

Plazmonik yapıların ışığı kırınım sınırından daha küçük dalga boylarına hapsedebilmesi bu etkinin "dalgaboyu-altı optik" (subwavelength optics), plazmonik güneş pili ve süper lens gibi uygulamalar için araştırılmasını sağlamıştır.

Nano-malzemelerin plazmonik özellik ve yatkınlıklarının dinamik olarak kontrol edilebilmesi plazmonik teknolojinin ilerlemesi için önemli bir adım olarak görülmektedir. Toplu plazmon rezonansı kullanarak yüzey plazmon resonansının bastırılabileceği gösterilmiştir. Bu yöntemin fotonik devrelerde önemli bir yere sahip olacak CMOS-uyumlu plazmonik elektrooptik modülatörlerin gelişimde önemli bir yere sahip olacağı öne sürülmektedir.

Yüzeyce güçlendirilmiş Raman saçılması ve yüzey-etkili floresans gibi bazı yüzey etkileşimleri soy metallerdeki yüzey plazmonlara bağlıdır; bunlar kullanılarak sensörler geliştirilmiştir. Yüzey ikinci harmonik iletimi gibi doğrusal olmayan optik etkileşimlerde yüzey plazmon rezonansı daha kuvvetli olmaktadır. Ayrıca plazmonik soğurma özelliklerinin moleküler sensörlerin gelişimde rolü olmuştur.