Plasmon

He aquí el centésimo trigésimo quinto The Thought of The Week by Solid Stone. The Thought of The Week by Solid Stone is a trademark of Liquid Stone Incorporated, Liquid Stone Incorporated is a trademark.

Este ensayo lo escribí para una clase de cuántica no tan avanzada, disfruten.

Plasmón.

El plasmón es una cuasipartícula resultante de la cuantización de oscilaciones de plasma, así como los fotones y los fonones son la cuantización de la luz y el calor respectivamente, y al ser una cuantización de las oscilaciones clásicas de plasma, muchas de sus propiedades se pueden derivar directamente de las ecuaciones de Maxwell, así pues, los plasmones son oscilaciones colectivas de un gas de electrones, que cuando se aparean con fotones crean otra cuasipartícula llamada polaritón de plasma.

La nemotecnia para visualizar una oscilación de plasma es imaginar un cubo de metal bajo un campo eléctrico externo, en cierta dirección, los electrones se moverán en dirección contraria, hasta cancelar el campo eléctrico dentro del metal, ahora se retira el campo eléctrico y los electrones se moverán en dirección a su posición original, repelidos entres si y atraídos por el lado positivo creado anteriormente, esto creara una oscilación a la frecuencia de plasma del metal, hasta que la energía sea disipada, este fenómeno cuantizado, es lo que se conoce como plasmón.

Los plasmones juegan un papel importante en las propiedades ópticas de los metales, la frecuencia por debajo de la frecuencia de plasma es reflejada, porque los electrones en el metal rebotan el campo eléctrico de la luz, y luz a frecuencia mayor a la frecuencia de plasma es transmitida, porque los electrones no pueden responder tan rápidamente para rebotarla, siendo la frecuencia de plasma de la mayoría de los metales en el ultravioleta, haciéndolos reflejantes en frecuencias de luz visible, y transparentes a frecuencias mayores a las del ultravioleta.

Algunos metales como el cobre y el oro tienen transiciones electrónicas en el rango del visible, donde algunos colores (frecuencias) son absorbidas, haciéndolos de un color característico; en semiconductores, el electrón de valencia de la frecuencia de plasma esta usualmente en el ultravioleta lejano, que es la razón por la que son tan reflejantes.

En el modelo de electrones libres de Drude, la energía del plasmón se puede estimar por la ecuación:

Con n la conductividad del electrón, e la carga elemental, m la masa del electrón ε₀ la permitividad en el espacio vacío y ω_p la frecuencia de plasma.

Un caso especial son los plasmones de superficie, que están confinados a superficies y que interactúan fuertemente con fotones resultando en polaritones, ocurren en la interfase del vacío o un material con constante dieléctrica positiva y un material con constante dieléctrica negativa, usualmente metales o dieléctricos dopados.

Sus usos son diversos, desde la bioquímica para estudiar el mecanismo de ligadura de un substrato a una enzima, hasta el control de la coloración de los materiales, esto se puede hacer controlando la forma de la superficie del material, que determina los plasmones de superficie que se aparean y propagan a través del material, de esta forma, se controla la interacción de la luz con la superficie del material.

Una de las posibles aplicaciones son la producción de detectores, pues la posición y la intensidad del los picos de emisión y absorción del plasmón son afectadas por la adsorción molecular, por ejemplo, un prototipo operacional para detectar caseína en leche ha sido fabricado, basado en la detección del cambio de la absorción de una película de oro.

Otra aplicación es que los plasmones han sido considerados como medio de transmisión de información en chips de computadoras, pues los plasmones resisten frecuencias mucho más altas, en el rango de los 100 THz, mientras que los cables convencionales se vuelven bastante ineficientes en el rango de las decenas de GHz, pero para que esto ocurra, un análogo del transistor, llamado plasmonster debe ser inventado.

Debido a que los plasmones trabajan con longitudes de onda muy pequeñas y son capaces de confinar luz en dimensiones muy pequeñas, han sido propuestos para hacer microscopia y litografía de alta resolución, ambas aplicaciones han sido demostradas experimentalmente en los laboratorios.

Se han empezado a utilizar plasmones para incrementar la eficiencia y reducir el costo de las celdas solares incorporando nanoestructuras metálicas que pueden incrementar la absorción de luz en los diferentes tipos de celdas solares.