Ava peamenüü

Muudatused

resümee puudub
[[ImagePilt:350px-Elektrontiheduse_pikkivonkumised.png| thumbpisi|350px |Laengutiheduse pikivõnkumised metall-dielektrik pinnal. Elektromagnetlainetega sidestunud laengutiheduse võnkumisi nimetatakse [[Pinnaplasmon polariton|pinnaplasmon polaritonideks]]. Paremal on näidatud elektrivälja eksponentsiaalne kahanemine kaugusega mõlemasse keskkonda.]]
{{keeletoimeta}}
[[FilePilt:350px-Prisma sidestus.png | thumbpisi|350px |Joonis 1: (a) Kretschmann ja (b) Otto seadistus. Pinnaplasmonite ergastamine toimub valguse [[Täielik sisepeegeldumine|täieliku sisepeegeldumise]] tingimustes. Mõlema seadistuse korral tekkivad pinnaplasmonid metall-dielektriku pinnale.]]
[[Image:350px-Elektrontiheduse_pikkivonkumised.png| thumb|350px |Laengutiheduse pikivõnkumised metall-dielektrik pinnal. Elektromagnetlainetega sidestunud laengutiheduse võnkumisi nimetatakse [[Pinnaplasmon polariton|pinnaplasmon polaritonideks]]. Paremal on näidatud elektrivälja eksponentsiaalne kahanemine kaugusega mõlemasse keskkonda.]]
 
[[Plasma]] võnkumiste kvanti nimetatakse plasmoniks. [[Plasmon]] on [[Kvaasiosake|kvaasiosake]], mis tuleneb plasma võnkumise kvantiseeritusest. Plasmoneidja mida võib klassikaliselt ette kujutada kui vabade [[Elektron|elektronideelektron]]ide tiheduse võnkumisi positiivsete aatomituumade suhtes.
[[File:350px-Prisma sidestus.png | thumb|350px |Joonis 1: (a) Kretschmann ja (b) Otto seadistus. Pinnaplasmonite ergastamine toimub valguse [[Täielik sisepeegeldumine|täieliku sisepeegeldumise]] tingimustes. Mõlema seadistuse korral tekkivad pinnaplasmonid metall-dielektriku pinnale.]]
 
Lihtne näide plasma võnkumiste kohta on elektrivälja paigutatud metallist[[metall]]ist osake. Olgu [[elektriväli]] suunatud paremale, seega vabad elektronid on liikunud vasakule, et tasakaalustada [[Elektriväli|elektrivälja]]. Kui elektriväli kaob, hakkavad elektronid paremale liikuma omavahelise tõukumise ja positiivsete [[Ioon|ioonidega]] tõmbumise tõttu. Elektronid hakkavad võnkuma edasi-tagasi positiivsete tuumade suhtes, kuni kogu energia on vastastikmõju tõttu hajunud. Plasmonid on sellise võnkumise kvandid. Enamik plasmonite omadusi on kirjeldatavad [[Maxwelli võrrandid|Maxwelli võrranditega]].<ref>{{cite book |last=Maier |first=S.A |year=2007 |title=Plasmonics: Fundamentals and Applications |pages=5}}</ref>
[[Plasma]] võnkumiste kvanti nimetatakse plasmoniks. [[Plasmon]] on [[Kvaasiosake|kvaasiosake]], mis tuleneb plasma võnkumise kvantiseeritusest. Plasmoneid võib klassikaliselt ette kujutada kui vabade [[Elektron|elektronide]] tiheduse võnkumisi positiivsete aatomituumade suhtes.
Lihtne näide plasma võnkumiste kohta on elektrivälja paigutatud metallist osake. Olgu elektriväli suunatud paremale, seega vabad elektronid on liikunud vasakule, et tasakaalustada [[Elektriväli|elektrivälja]]. Kui elektriväli kaob, hakkavad elektronid paremale liikuma omavahelise tõukumise ja positiivsete [[Ioon|ioonidega]] tõmbumise tõttu. Elektronid hakkavad võnkuma edasi-tagasi positiivsete tuumade suhtes, kuni kogu energia on vastastikmõju tõttu hajunud. Plasmonid on sellise võnkumise kvandid. Enamik plasmonite omadusi on kirjeldatavad [[Maxwelli võrrandid|Maxwelli võrranditega]].<ref>{{cite book |last=Maier |first=S.A |year=2007 |title=Plasmonics: Fundamentals and Applications |pages=5}}</ref>
 
'''Pinnaplasmoniteks''' nimetatakse valgusega tugevas vastastikmõjus olevaid plasmoneid. Need tekivad kahe keskkonna kokkupuutepinnal, kus [[suhteline dielektriline läbitavus]] muudab märki. Näiteks metalli ja dielektriku[[dielektrik]]u vahelisel pinnal. Pinnaplasmonitel on madalam energia kui [[Ruumiplasmon|ruumiplasmonitelruumiplasmon]]itel ehk elektrongaasi pikivõnkumisel positiivsete tuumade suhtes. Sidestumisel footoniga tekib [[polariton]]. See levib mööda kahe keskkonna kokkupuutepinda kuni selle energia neeldub või kiiratakse.
 
Pinnaplasmoneid ennustas kõige esimesena R. H. Ritchie [[1957]]. aastal.<ref>{{cite journal |last=Ritchie |first=R. H. |month=June |year=1957 |title= Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films |journal=[[Physical Review]] |volume=106 |issue=5 |pages=874–881 |doi=10.1103/PhysRev.106.874|bibcode = 1957PhRv..106..874R }}</ref> Paljud teadlased tegelesid järgnevatel aastakümnetel pinnaplasmonitega, neist silmapaistvamad olid Heinz Raether, E. Kretschmann ja A. Otto.
 
==Tähtsus==
Plasmoonika kui uurimisvaldkonna tähtsusest annab märku üha suurenev publikatsioonide arv. Plasmonefektid on laialdases kasutuses [[Biokeemia|biokeemiasbiokeemia]]s ([[andur]]id) ja [[Spektroskoopia|spektroskoopiasspektroskoopia]]s. Lisaks võimaldavad plasmonid ühendada elektri- ja valgus[[signaal]]i omadused. [[Elektrisignaal]]il põhinevaid skeeme on küll võimalik teha väga väikeseks, aga signaali [[sagedus|sagedust]]t 1 GHz oluliselt suuremaks teha ei saa. [[Andmeedastus]]es kasutataksegi [[optiline kaabel|optilisi kaableid]], mis võimaldavad palju suuremaid sagedusi, seega ka suuremaid [[andmemaht|andmemahte]]. Väikeste optiliste skeemide tegemisel tuleb kiiresti vastu [[difraktsioon|difraktsioonipiir]], skeemi suurust piirab valguse [[lainepikkus]]. Probleemi üheks lahenduseks on plasmonid, mis ühildab elektriskeemide väiksuse ja optiliste liideste kiiruse. Tänu väga väikestele lainepikkustele on võimalik plasmoneid kasutada suure lahutusvõimega [[mikroskoop]]ide ehitamisel.
 
Siiamaani on üheks probleemiks olnud pinnaplasmonite väike levikukaugus energia [[neeldumine|neeldumise]] ja [[kiirgus|kiirgamise]] tõttu. Selle probleemi peaks lahendama [[SPASER]], mis on nagu [[laser]] optikas, stimuleeritud [[koherentne|koherentsete]] pinnaplasmonite allikas.
 
Siiamaani on üheks probleemiks olnud pinnaplasmonite väike levikukaugus energia [[neeldumine|neeldumise]] ja [[kiirgus|kiirgamise]] tõttu. Selle probleemi peaks lahendama [[SPASER]], mis on nagu [[laser]] optikas[[optika]]s, stimuleeritud [[koherentne|koherentsete]] pinnaplasmonite allikas.
 
==Ergastamine==
Pinnaplasmoneid on võimalik ergastada nii [[elektron|elektronide]] kui ka [[footon|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 lainevektoreid, muidu rikutaks [[Impulsi jäävuse seadus|impulsijäävust]].
 
[[Prisma]]ga ergastamise skeeme on kaks. Esimesena pakuti varja niinimetatud [[Otto seadistus]] (joonis 1b). See koosneb prismast, peenikesest [[dielektrik]]ukihist ja metallikilest. [[Laser]]kiir langeb prismale üldjuhul [[täielik sisepeegeldumine|täieliku sisepeegeldumise]] tingimustes ja tekitab prisma lähedale [[elektriväli|elektrivälja]]. See elektriväli ergastab pinnaplasmoneid, kui metallikile on piisavalt lähedal prismale. Sellest tuleneb ka Otto seadistuse üks põhiprobleeme: prisma ja metallikelemetallikile vahele puhta dielektriku kihi tekitamine. Ka mõned tolmukübemed võivad eksperimenti rikkuda. Pinnaplasmonite teket jälgitakse [[peegeldumine|peegeldunud]] laserkiire [[intensiivsus]]e mõõtmisest olenevalt [[valgus]]e [[langemisnurk|langemisnurgast]]. Juhul kui kõik läheb plaanitult, tekib peegeldunud kiire intensiivsuses [[resonants]]nurga juures langus, mis vastab olukorrale, kus [[energia]] läheb pinnaplasmonitele.
 
Teist meetodit prismaga pinnaplasmonite ergastamiseks nimetatakse [[Kretshmanni seadistus]]eks (joonis 1a). Selle seadistuse puhul ei sidestu valgus läbi õhukese dielektrikukihi, vaid metallikihi, mis on sadestatud prisma ühele küljele. Resonantsnurga juures tekib [[Peegeldustegur|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 45nm ja 50nm vahel, kui ergastav kiirgus on on ''λ'' = 632,8 nm.8nm
 
Teoreetilised peegelduskoefitsiendi kõverad on kergesti arvutatavad [[Fresneli valemid|Fresneli valemitega]].
 
==Dispersiooniseos==
[[ImagePilt:Grating_Coupler.png | thumb|350px |Joonis 2: Võresidustus.]]
[[ImagePilt:Coordinates.png|thumb|Joonis 3: Koordinaatsüsteem kahe materjali kokkupuutepinnal]]
 
[[Image:Coordinates.png|thumb|Joonis 3: Koordinaatsüsteem kahe materjali kokkupuutepinnal]]
Stimuleeriva elektromagnet laine saab kirja panna kujul
: <math>E= E_{0}\exp[i(k_{x} x + k_{z} z -\omega t)]\,</math>
:<math>k_{x}=\frac{\omega}{c} \left(\frac{\varepsilon_1\varepsilon_2}{ \varepsilon_1+\varepsilon_2}\right)^{1/2}.</math>
 
Neeldumist mittearvestava elektrongaasi mudeli kohaselt on metalli dielektriline funktsioon <ref>{{cite book |last=Kittel |first=Charles |authorlink=Charles Kittel |year=1996 |title=Introduction to Solid State Physics |edition= 8th |location= Hoboken, NJ |publisher=John Wiley & Sons |isbn=0-471-41526-X}}</ref>
 
:<math>\varepsilon(\omega)=1-\frac{\omega_{P}^2}{\omega^2},</math>
:<math>\omega_{P}=\sqrt{\frac{n e^2}{{\varepsilon_0}m^*}}</math>
 
kus ''n'' on elektronide tihedus, ''e'' on [[elementaarlaeng| elektroni laeng]], ''m''<sup>*</sup> on elektroni efektiivne mass ja <math>{\varepsilon_0}</math> on vaakumi dielektriline läbitavus. Dispersiooniseos on joonisel 4. [[Image:Dispersion Relationship.png|thumb|Joonis 4:Pinnaplasmonite dispersioonikõver: Madalate ''k'' väärtuste korral läheneb pinnaplasmonite kõver(punane) valgusejoonele(sinine)]] Väikeste ''k'' väärtuste korral pinnaplasmon polarotonid käituvad nagu footonid, aga ''k'' suurenedes dispersiooniseos kõverdub ja läheneb asümptootiliselt plasma sagedusele. Kuna valguse dispersiooniseos ''ω = k•c'' jääb pinnaplasmon polarotonide omast vasakule, on pinnaplasmon polarotonidel lühem lainepikkus kui valgusel vaakumis. Pinnapinnaplasmon polarotonide kiirgus on risti lahutuspinnaga ja väheneb eksponentsiaalselt. Pinnaplasma sagedus avaldub valemiga
[[Pilt:Dispersion Relationship.png|thumb|Joonis 4: Pinnaplasmonite dispersioonikõver: Madalate ''k'' väärtuste korral läheneb pinnaplasmonite kõver(punane) valgusejoonele(sinine)]]
Väikeste ''k'' väärtuste korral pinnaplasmon polarotonid käituvad nagu footonid, aga ''k'' suurenedes dispersiooniseos kõverdub ja läheneb asümptootiliselt plasma sagedusele. Kuna valguse dispersiooniseos ''ω = k•c'' jääb pinnaplasmon polarotonide omast vasakule, on pinnaplasmon polarotonidel lühem lainepikkus kui valgusel vaakumis. Pinnapinnaplasmon polarotonide kiirgus on risti lahutuspinnaga ja väheneb eksponentsiaalselt. Pinnaplasma sagedus avaldub valemiga
 
:<math>\omega_{SP}=\omega_P/\sqrt{1+\varepsilon_2}.</math>
kus <math>k_\text{grating}</math> on võre lainevektor, <math>\theta_0</math> on ergastava footoni langemisnurk, ''a'' on võre periood ja ''n'' on täisarv.
 
Karedat pinda saab vaadelda kui [[superpositsiooniprintsiip]]i mitmest erineva perioodiga võredest. Kretschmann soovitas<ref name="Kretschmann1">{{de icon}} {{cite journal |last=Kretschmann |first=E. |month=April |year=1974 |title=Die Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit dünner Schichten durch Messung der Winkelabhängigkeit der Streustrahlung von Oberflächenplasmaschwingungen |journal=[[Optics Communications]] |volume=10 |issue=4 |pages= 353–356 |doi=10.1016/0030-4018(74)90362-9|bibcode = 1974OptCo..10..353K }}</ref> defineerida statistilise korrelatsiooni funktsioon kareda pinna jaoks.
:<math>G(x,y)=\frac{1}{A}\int_A z(x',y')\ z(x'-x,y'-y)\, dx'\, dy'</math>
 
== Viited ==
{{viited}}
 
[[Kategooria:Plasmafüüsika]]
 
[[en:Surface plasmon]]