Felületi plazmonok optikai vizsgálata Előadók: Balla Péter Kocsis Vilmos Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszék Optikai spektroszkópia szeminárium, 2012 április 19.

Tartalom Bevezetés Megoldás a Maxwell egyenletekkel Plazmonok tulajdonságai Alkalmazások Egy Dresdeni templom rózsaablaka, Wiki J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991) A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, 398-410 (1968) W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

Ismétlés Impulzus: R: x-irányban megmarad, z-ben előjelet vált Új közegben: Amikor: Időben, térben oszcilláló, propagáló töltéseloszlás TH p-polarizált z-irányban lecsengő tér J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991) W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

Részletes leírás dielektrikum:1 fém:2 TH p-polarizált 1→2: változatlan 1→2: változik Maxwell+határfeltételek+”alak”: Továbbá elhaló hullámok: ellentétes előjelűek (diel. áll. miatt) újabb feltétel: J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)

Van disszipáció a fémben: dielektrikum:1 propagál végtelen úthosszal fém:2 újabb feltétel: TH p-polarizált Van disszipáció a fémben: J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)

Vákuum-szabad elektron gáz határfelület 1 2 x irányban harmonikus megoldás, |z|-ben elhaló: Vákuum-szabad elektron gáz határfelület Diszperziót implicit egyenlet adja meg (z=0 határfeltétel, Hy): z-irányban nincs kibocsájtott sugárzás (non-radiative SPW) felületi töltések fázissebessége: Szabad EG: nincs csatolás A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, 398-410 (1968)

nincs gerjesztés SPW-k max fázissebessége, ezt csak a (közvetlenül) felette levő dielektrikum határozza meg Kell egy köztes határréteg (spacer), melyre: gerjeszthető SPW-k spacer layeres eset spacer layer nélkül Gerjesztés feltétele: gyakorlatban a törésmutatók adottak, és α-t változtatják αc és 90° között 1 1 2 2 A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, 398-410 (1968)

Konkrét mérési elrendezés (p-polarizált): p-p mérés hullámhossz nő => α csökken d nő rezonanciák keskenyednek ELM: csillapítások:= sugárzás + belső van egy dmax, aminél az absz. maximális: fény energiája rezonancia helye A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, 398-410 (1968)

Permittivitás mérhető plazmonokkal Egyéb tulajdonságok: Anyagfüggő (zafír prizma, n=0.766) λ=632 nm Optikai Gap Kretschmann-Raether módszer 1.00 µm Permittivitás mérhető plazmonokkal 0.75 µm λ=632 nm 0.5 µm J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)

Egyéb tulajdonságok: mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg: kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest: átlós irányban hozunk létre SPW-ket →az elektromos térerősség nem korlátozódik a beesés síkjára: s ↔ p ! p s J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)

Egyéb tulajdonságok: mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg: kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest: átlós irányban hozunk létre SPW-ket Rpp Rpp p-pol. s-pol. Rss Rss J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)

Egyéb tulajdonságok: mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg: kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest: átlós irányban hozunk létre SPW-ket →az elektromos térerősség nem korlátozódik a beesés síkjára: s ↔ p ! Rps J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)

Alkalmazások dielektromos állandó mérése (főleg kis változások) kémiai szennyeződés rétegvastagság (pl. Ag rétegen növesztett szulfid) szerves rétegek növesztése során in-situ vizsgálat antigén protein filmek vizsgálata (csak bizonyos antitesteket kötnek meg) folyadékkristályok elrendeződése mikroszkópia: fém hordozóra növesztett diel. kis vastagságváltozásai → nagy reflektivitás változás magneto-optikai effektus erősítése elektro-optikai átalakítók, detektorok nm skálájú! optikai jelet fókuszálja Optikai jel Elektromos jel J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991) W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

Felületi plazmonok által erősített magneto-optika: Vastag Co (~6nm): easy-axis (z) Vékony Co (~1nm): easy-plane (xy) C. Hermann et al., PRB, 64 235422

Felületi plazmonok által erősített magneto-optika: C. Hermann et al., PRB, 64 235422

Elektro-optikai átalakító 2.5 µm 40 nm Szabad úthossz: W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

Bragg-reflektor Gap a felületi plazmonok sávszerkezetében: Általánosan: optikai vezetőkben többrétegű visszaverő közeg, hullámhossz szelektív fényvisszaverés. stopband: λo, Δλ széles sáv VCSEL (LD) W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

Lyuk „mátrixok” W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

nincs gerjesztés SPW-k max fázissebessége (ezt csak a dielektrikum határozza meg) Kell egy köztes határréteg (spacer), melyre: Momentumok nyelvén: A z-irányban elhaló tér impulzusa: Totális refelxió esetén: Gerjesztés feltétele: gyakorlatban a törésmutatók adottak, és α-t változtatják αc és 90° között A dielektrikumban terjedő tér impulzusa nagyobb, ezért az impulzust ad át a fémben elhaló térnek és a töltéseloszlásnak. A csatolás erőssége arányos az impulzuskülönbséggel: 1 1 2 2 A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, 398-410 (1968)