表面プラズモン共鳴
表面プラズモンポラリトンは、金属/誘電体(あるいは金属/真空)界面に対して平行方向に伝播する表面電磁波である。この波は金属と外部媒体(例えば空気あるいは水)との境界に位置するため、これらの振動は金属表面に対する分子の吸着といったこの境界面のいかなる変化にも非常に敏感である。
表面プラズモンポラリトンの存在および性質を説明するために、様々なモデル(量子理論やドルーデモデルなど)を選ぶことができる。この問題に取り組むための最も単純な方法は、それぞれの材料を均質連続体として扱うことで、外部媒体と表面との間の周波数依存的比誘電率によって説明される。この物理量は複素誘電率である(以後、材料の「誘電率」と呼ばれる)。電子表面プラズモンを描写するこの用語が存在するためには、金属の誘電率の実部は負でなければならず、その大きさは誘電体のものよりも大きくなければならない。この条件は、空気/金属あるいは水/金属界面における赤外-可視波長域で満たされる(金属の実比誘電率は負、空気あるいは水の比誘電率は正)。
LSPR(局在SPR)は、光によって励起された金属ナノ粒子における集団的電荷振動である。LSPRは共鳴波長で高度な近接増幅を示す。この場はナノ粒子において高度に局在しており、ナノ粒子/誘電体界面から誘電体背景に速やかに減衰するが、粒子による遠距離散乱もまた共鳴により増強される。光強度増強はLSPRの非常に重要な特徴であり、局在はLSPRがナノ粒子のサイズにのみ制限された非常に高い空間分解能(サブ波長)を有していることを意味する。増強された場振幅のため、磁気光学効果といった振幅に依存した効果もまたLSPRによって増強される。
これは、ブリュースター角顕微鏡法(ラングミュアー=ブロジェット槽と共に最も一般的に用いられる)といくぶん類似している
ナノ粒子では、局在化表面プラズモン振動は、ナノ粒子を含む懸濁液あるいはゾルの強い色調を生じさせることができる。貴金属のナノ粒子あるいはナノワイヤーはバルク金属には存在しない、紫外-可視光における強い吸収帯を示す。この異常な吸収は、セル膜上に金属ナノ粒子を披着させることによって太陽電池セルの光吸収を増加させることに利用されている。この吸収のエネルギー(色)は、光がナノワイヤーに対して平行あるいは垂直に偏光しているかどうかで異なる。ナノ粒子への吸着での局所屈折率の変化によるこの共鳴のシフトは、DNAあるいはタンパク質といったバイオポリマーの検出にも用いることができる。関連する相補的技術にはプラズモン導波路共鳴、QCM、異常光透過、二重偏光干渉法がある。
ε {\displaystyle \epsilon } は比誘電率、 μ {\displaystyle \mu } は材料の透磁率である(1: ガラスブロック、2: 金属薄膜)。
表面プラズモンが起こる代表的な金属は銀および金であるが、銅、チタン、クロムといった金属も使われている。
SP波を励起するために光を用いる時、よく知られた2種類の配置が存在する。オット配置では、光はガラスブロック(通常プリズム)の壁面を照らし、全反射される。薄い金属膜(例えば金)はエバネッセント波が表面でプラズマ波と相互作用し、プラズモンを励起できるようにプリズム壁面の十分近くに置かれる。
クレッチマン配置では、金属薄膜はガラスブロックに蒸着される。光はガラスブロックを照らし、エバネッセント波は金属薄膜を貫通する。膜の外側ではプラズモンが励起される。最も実際的な応用ではこの配置が使われる。