Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.
forskningsingeniøren bloghoved

Plasmonerne blev kvantemekaniske - eller gjorde de?

Plasmonics er hot!

Et særdeles aktivt forskningsfelt, som i disse år er i stor udvikling, er plasmonics, der kort fortalt beskæftiger sig med plasmoner. Disse er kollektive svingninger af ladningsbærerplasmaer, og da metaller per definition indeholder mange frie elektroner, omhandler det meste inden for plasmonics metaller. De mange frie elektroner i metaller gør deres vekselvirkning med f.eks. lys anderledes og mere rig end de tilsvarende vekselvirkninger mellem dielektrika (isolatorer) eller halvledere og lys - med kraftig dispersion og store tab pga. varmeudvikling som et par eksempler på dette.

Vekselvirkningen mellem lys og metaller er ikke et nyligt opfundet videnskabeligt emne, men behandles derimod i mange klassiske lærebøger (se f.eks. dette kapitel i Born & Wolf). Så hvorfor så meget fokus på dette tilsyneladende velstuderede område af fysikken? Som Bill Barnes skriver i forordet til Stefan Maiers lærebog om emnet:

"You just have Maxwell’s equations, some material properties and some boundary conditions, all classical stuff - what’s new about that?" Well, would you have predicted that just by imposing appropriate structure on a metal one could make a synthetic material that would turn Snell’s law on its head? Or that you could squeeze light into places less that one hundredth of a wavelength in size? No new fundamental particles, no new cosmology - but surprises, adventure, the quest to understand - yes, we have all of those, and more.

Med andre ord: Der er bare tale om klassisk fysik, som ikke desto mindre - og i høj grad pga. metallers rige egenskaber - leder til overraskende fænomener, såsom fokusering af lys ned under diffraktionsgrænsen. Bill Barnes påpeger også, at udviklingen af moderne nanofabrikations- og mikroskopiteknikker har gjort det praktisk muligt at observere nogle af disse interessante fænomener, hvilket givetvis ligedes har været med til at drive udviklingen.

Plasmonics er elektrodynamik - næsten...

Fordi der i vid udstrækning "bare" er tale om klassisk elektromagnetisme, hvor dispersion og tab i metaller beskrives igennem en frekvensafhængig permittivitet med komplekse værdier, har standard elektrodynamiske teorier og beregningsteknikker i vid udstrækning været anvendt til at beskrive og analysere de plasmoniske systemer.

Klassisk elektromagnetisme beror på en kontinuumsbeskrivelse, hvor responset fra materialer opnås ved at midle over mange atomer og ladningsbærere, og hvor variationer af de elektromagntiske felter ligeledes er midlet over atomart set store afstande. Derfor er det forventeligt, at beskrivelsen af vekselvirkningen mellem lys og materialer, når dimensionerne af systemet begynder at nærme sig den atomare skala - dvs. fra nogle få nanometer og nedefter - med en klassisk kontinuumsbeskrivelse vil bryde sammen.

Illustration: Privatfoto

M.Sc. afhandling, "Electromagnetic Scattering in Micro- and Nanostructured Materials"

Et eksempel på dette er de ekstremt store feltforstærkninger, som plasmoniske strukturer ifølge de klassiske teorier skulle give anledning til, når næsten singulære geometrier betragtes. En singulær geometri kan f.eks. bestå af to nanostørrelse sølvkugler, som næsten bringes i kontakt; i billedet ovenfor svarer dette til, at d/R << 1. Disse feltforstærkninger stemmer ikke overens med de forstærkninger, som kan måles for disse strukturer, hvilket kraftigt antyder, at beskrivelsen med den klassiske elektromagnetisme er brudt sammen.

Plasmonics er kvantemekanik - eller er det?

Og hvad stiller man så op? Manges svar har været, at plasmonerne er blevet kvantemekaniske ("Plasmons go quantum"), og dette er umiddelbart appellerende at tro på. F.eks. kunne tunnelering af elektroner mellem metalpartiklerne i sølvdimeren (som man kender det fra moderne elektronmikroskoper), hvilket klassisk set ikke kan lade sig gøre, og hvilket således ville være en signatur af kvantemekaniske effekter, måske forklare, hvad der rent faktisk sker i disse strukturer, når d/R << 1 (se f.eks. denne reference).

Men en tunneleringsstrøm mellem metalpartiklerne, som ville understøtte det kvantemekaniske billede af processen, er endnu ikke målt - hvilket, som eksemplerne ovenfor illustrerer, imidlertid ikke har fået folk til at tøve med at udråbe plasmonerne som kvantemekaniske!

Plasmonics er elektrodynamik - med en lille korrektion...

På DTU Fotonik har mine kolleger i gruppen for Strukturerede Elektromagnetiske Materialer i flere år arbejdet på at udvikle en semiklassisk beskrivelse af disse nanostørrelse metalstrukturer. Meget af dette arbejde har været baseret på ikke-lokal respons, hvor det optiske respons i et observationspunkt ikke blot kommer fra excitationen i dette samme punkt, men fra excitationen i en omegn af observationspunktet (se f.eks. disse slides for en kort beskrivelse).

Udviklingen af teorierne leder til en beskrivelse som den, vi kender fra klassisk elektrodynamik, men med en semiklassisk korrektion, som tager højde for den længde, over hvilken det ikke-lokale respons finder sted i metallet (andet led på højre side i ligning (2) i dette arXiv preprint). Dette ligner således de klassiske teorier, som vi er vant til at benytte, men parameteren xi, som beskriver den ikke-lokale responslængde, skal enten fødes empirisk ind (hvis den altså kan måles!) eller beregnes (semi-)kvantemekanisk.

Konklusionen på denne teori - som snart udgives i et prestigefyldt tidsskrift, hvilket ikke sker ofte med artikler, som er rent teoretiske! - er derfor i kvantemekanisk sammenhæng nedslående: Plasmonerne kan beskrives næsten klassisk og stort set, som vi har været vant til fra klassisk elektrodynamik.

Teorien, der altså nu udgives i et velanset tidsskrift, vil sikkert blive mødt med skepsis, fordi det ville være lidt mere sexet, hvis plasmonerne virkelig er kvantemekaniske. Det har de endnu ikke vist sig at være, og indtil det evt. sker, står denne semiklassiske beskrivelse af fysikken frem som et smukt bud.

Opdatering den 2/5-14: Arbejdet er nu udgivet i tidsskriftet Nature Communications.

Emner : Fysik
Jakob Rosenkrantz de Lasson er civilingeniør og ph.d. i nanofotonik fra DTU. Jakob arbejder som Product Lead og forskningsingeniør hos virksomheden TICRA i København og blogger om forskning, fotonik og rumteknologi. Jakobs blog har tidligere heddet DTU Indefra (2012-2016) og DTU Studenten (2012)
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten