Oberflächen plasmon

Kollektive Anregungen von freien Elektronen in Metallen zu Plasmaschwingungen gegen die Ionenrümpfe werden in der Festkörperphysik als Plasmonen bezeichnet. Oberflächenplasmonen sind Oberflächenwellen (evaneszente Wellen), bei denen die longitudinalen elektronischen Schwingungen parallel zur Oberfläche eines Metalls angeregt werden. Die resultierende Feldstärke ist im Raum über der metallischen Oberfläche verstärkt.

Anregung

Oberflächenplasmonen lassen sich unter bestimmten Bedingungen mit Licht anregen. Aufgrund ihrer Dispersionsrelation muss dazu der Wellenvektor des anregenden Lichtes angepasst werden. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen. Gängige Verfahren sind die Prismenkopplung nach Otto bzw. Kretschmann-Raether, die Gitterkopplung sowie die Anregung an lokalen Defekten der Metalloberfläche.

Ausbreitung

Oberflächenplasmonen breiten sich entlang der Metalloberfläche aus, wobei ihre Intensität mit der Ausbreitungslänge exponentiell abnimmt. Für die Dämpfung der Plasmonenausbreitung sind Leitungsverluste im Metall verantwortlich. Bei einer Lichtwellenlänge von 633 nm breiten sich Oberflächenplasmonen auf Gold etwa 9 µm (1/e der Intensität), auf Silber etwa 60 µm weit aus. Durch geeignete Strukturierung der Metalloberfläche kann die Ausbreitungsrichtung von Oberflächenplasmonen beeinflusst werden. Es lassen sich Spiegel, Strahlteiler und Linsen für Oberflächenplasmonen herstellen.

Anwendung

Eine Anwendung ist die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) in der Biosensorik. Dabei macht man sich zu Nutze, dass die Wellenlänge der Oberflächenplasmonen auf Brechzahländerungen in der unmittelbaren Nähe der Metalloberfläche stark reagiert.

Außerdem könnten Oberfächenplasmonen geeignet sein, optische Information in hochintegrierten Computerchips zu übertragen.^[1]

Quellen

1. ↑ New Scientist: Plasmonic computer chips move closer