Pinnaplasmonid

Tähtsus

Plasmoonika kui uurimisvaldkonna tähtsusest annab märku üha suurenev publikatsioonide arv. Plasmonefektid on laialdases kasutuses biokeemias (andurid) ja spektroskoopias. Lisaks võimaldavad plasmonid ühendada elektri- ja valgussignaali omadused. Elektrisignaalil põhinevaid skeeme on küll võimalik teha väga väikeseks, aga signaali sagedust 1 GHz oluliselt suuremaks teha ei saa. Andmesidees kasutataksegi optilisi kaableid, mis võimaldavad palju suuremaid sagedusi, seega ka suuremaid andmemahte. Väikeste optiliste skeemide tegemisel tuleb kiiresti vastu difraktsioonipiir, skeemi suurust piirab valguse lainepikkus. Probleemi üheks lahenduseks on plasmonid, mis ühitab elektriskeemide väiksuse ja optiliste liideste kiiruse. Tänu väga väikestele lainepikkustele on võimalik plasmoneid kasutada suure lahutusvõimega mikroskoopide ehitamisel.
Siiamaani on üheks probleemiks olnud pinnaplasmonite väike levikukaugus energia neeldumise ja kiirgamise tõttu. Selle probleemi peaks lahendama SPASER, mis on nagu laser optikas, stimuleeritud koherentsete pinnaplasmonite allikas.

Ergastamine

Pinnaplasmoneid on võimalik ergastada nii elektronide kui ka footonitega. Elektronidega ergastamiseks tulistatakse metalliosakest elektronidega. Kineetiline energia kandub üle plasma energiale, mis omakorda ergastab pinnaplasmoneid.
Footonite sidestamiseks pinnaplasmonitega on vaja kasutada sidestuskeskkonda. See on vajalik, et sobitada kokku footoni ja pinnaplasmoni lainevektorid, muidu rikutakse impulsijäävuse seadust.
Prismaga ergastamise skeeme on kaks. Esimesena pakuti välja niinimetatud Otto seadistus (joonis 1b). See koosneb prismast, peenikesest dielektrikukihist ja metallikilest. Laserkiir langeb prismale üldjuhul täieliku sisepeegeldumise tingimustes ja tekitab prisma lähedale elektrivälja. See elektriväli ergastab pinnaplasmoneid, kui metallikile on piisavalt lähedal prismale. Sellest tuleneb ka Otto seadistuse üks põhiprobleeme: prisma ja metallikile vahele puhta dielektriku kihi tekitamine. Ka mõned tolmukübemed võivad eksperimendi rikkuda. Pinnaplasmonite teket jälgitakse peegeldunud laserkiire intensiivsuse mõõtmisest olenevalt valguse langemisnurgast. Juhul kui kõik läheb plaanitult, tekib peegeldunud kiire intensiivsuses resonantsnurga juures langus, mis vastab olukorrale, kus energia läheb pinnaplasmonitele.
Teist meetodit prismaga pinnaplasmonite ergastamiseks nimetatakse Kretshmanni seadistuseks (joonis 1a). Selle seadistuse puhul ei sidestu valgus läbi õhukese dielektrikukihi, vaid metallikihi, mis on sadestatud prisma ühele küljele. Resonantsnurga juures tekib peegeldumiskoefitsiendis samasugune langus nagu Otto skeemi puhul. Erinevalt eelnevalt tuletatud arvutustest ei ole enam tegemist kahe keskkonnaga. Selles skeemis on prisma, kindla paksusega kullakile ja dielektrik. See toob kaasa võimaluse, et valgus, mis on sidestatud pinnaplasmonitega kiirgub tagasi prismasse. See sõltub metallikihi paksusest. Kui see on väga õhuke, siis suur osa plasmonite energiast kiirgub tagasi prismasse. Vastupidisel juhul sidestub prismast suure kauguse tõttu ainult väike osa pinnaplasmonitega. Optimaalne paksus on umbes 45 nm ja 50 nm vahel, kui ergastava kiirguse lainepikkus on λ=632,8 nm.
Teoreetilised peegelduskoefitsiendi kõverad on kergesti arvutatavad Fresneli valemitega.

SPASER

SPASERiks (surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation) nimetatakse plasmoonikas laseri analoogi optikas. Kui laser emiteerib footoneid, siis SPASER pinnaplasmoneid. Sarnaselt laseriga tekitatakse pinnaplasmonid võimendava keskkonna ergastamisega. Ergastav kiirgus üldjoontes ei ole seotud pinnaplasmonite sagedusega. Näiteks on võimalik tekitada pinnaplasmoneid infrapunasele vastava sagedusega, kuid ergastada on seda võimalik ka ultravioletse pulsiga.
SPASERi ja laseri sarnasuse põhjusteks on pinnaplasmonite ja footonite sarnasus. Nad mõlemad on bosonid ja mõlema spinn on üks. Lisaks puudub mõlemal elektrilaeng ja oma olemuselt on mõlemad harmoonilised võnkumised.

Eksperimentaalsed rakendused

Tihti kasutatakse pinnaplasmonite sidestumist footonitega eksperimentaalse võttena. Pinnaplasmonite sidestumist footonitega nimetatakse ka pinnaplasmon-resonantsiks. Pinnaplasmon-resonants määratakse mõõtes peegeldunud valguse intensiivsust sõltuvalt langemisnurgast või lainepikkusest. See tehnika võimaldab vaadelda nanomeetriseid muutusi pinna paksuses, tiheduses jms.
Plasmonlainete neeldumise ja emissioonide lainepikkus ja intensiivsuse maksimumid on mõjutatud molekulaarsest neeldumisest, seda saab kasutada molekulaarsete andurite valmistamisel.