Plasmon

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Dans un métal, un plasmon est une oscillation de plasma quantifiée, ou un quantum d'oscillation de plasma.

Le plasmon est une quasiparticule résultant de la quantification de fréquence plasma, tout comme le photon et le phonon sont des quantifications de vibrations respectivement lumineuses et mécaniques.

Ainsi, les plasmons sont des oscillations collectives d'un gaz d'électrons, par exemple à des fréquences optiques.

Le couplage d'un plasmon et d'un photon crée une autre quasiparticule dite plasma polariton.

Depuis que les plasmons sont définis comme la quantification des oscillations de plasma classique, la plupart de leurs propriétés peuvent être calculées directement à partir des équations de Maxwell.

Éléments de théorie[modifier | modifier le code]

Les oscillations de plasma d'un métal peuvent être comprises dans le cadre d'une théorie classique.

Si on suppose que les ions sont fixes, et que les électrons peuvent se déplacer en bloc, et que x est la position du centre de masse des électrons par rapport au centre de masse des ions, lorsque x\ne 0, il existe un excès de charge positive d'un côté du système (supposé de dimension finie dans la direction parallèle à x) et un excès de charge négative du côté opposé. Ces excès de charges constituent une force de rappel qui tend à ramener x à zéro.

Cependant, s'il n'y a pas de dissipation, l'énergie mécanique totale étant conservée, le centre de masse des électrons va effectuer des oscillations à une pulsation appelée « pulsation plasma » \omega_p.

Dans le cas où on suppose que le métal est limité le long de la direction x, et infini dans les directions perpendiculaires, on peut calculer la pulsation plasma en utilisant le théorème de Gauss pour calculer le champ électrique créé par les excès de charge.

On trouve que les excès de charges créent un champ électrique : E=\frac{n e x}{\epsilon_0}, où n est la densité d'électrons,

ce qui conduit à une pulsation plasma : \omega_p=\sqrt{\frac{n e^2 }{\epsilon_0 m}}.

Pour tenir compte du caractère quantique de la dynamique des électrons, on utilise l'approximation de la phase aléatoire et la théorie de la réponse linéaire pour calculer la constante diélectrique \epsilon(q,\omega).

Les oscillations de plasma sont obtenues lorsque le calcul quantique redonne la fréquence classique pour les oscillations de plasma. Il montre aussi qu'il existe des oscillations de plasma pour un vecteur d'onde q\ne 0, avec :

\omega(q)=\omega_p\left[1+\frac{3}{10}\frac{q^2 v_F^2}{\omega_p^2}\right]

v_F est la vitesse de Fermi des électrons. Le facteur 3/10 vient de l'approximation de la phase aléatoire. Les approximations plus précises donnent des corrections au facteur devant q^2.

Les oscillations de plasma se comportent comme des particules quantifiées appelées plasmons.

Comme les énergies de ces particules sont de l'ordre de 10 à 20 eV dans les métaux, il n'existe pas de plasmons dans un métal à l'équilibre. Il est cependant possible d'exciter les modes de plasmons en utilisant des électrons ou des rayons X pour bombarder un film métallique suffisamment fin. Les électrons ou les photons X peuvent céder de l'énergie aux plasmons ce qui permet leur détection.

Jusqu'ici, nous n'avons parlé que du cas tridimensionnel. Il est cependant possible de réaliser des gaz d'électrons bidimensionnels (par exemple avec des interfaces Si/SiO_2 ou dans des puits quantiques AlAs/GaAs) ou unidimensionnels (fils quantiques). Dans le cas bidimensionnel, la dispersion des plasmons est de la forme \omega(q)\sim \mid q\mid^{1/2} et dans le cas unidimensionnel de la forme \omega(q)\sim \mid q ^2 \ln (q/q_c) \mid^{1/2}.

Utilisation[modifier | modifier le code]

Sur des principes anciens de résonance plasmonique de surface, mais avec des techniques disponibles depuis les années 1980[1], des capteurs et biosenseurs utilisent le phénomène de résonance plasmon de surface dans le domaine de la détection chimique et biologique. Le principe utilisé est que dans de bonnes conditions, la réflectivité d'un film mince de métal est très sensible aux variations optiques du milieu d'un de ses côtés. Ceci est dû au fait que les plasmons de surface sont des sondes sensibles aux conditions-limites. Cet effet peut être utilisé de plusieurs façons dont pour la détection de gaz[2],[3] ou de films minces[4]. On peut aussi par exemple détecter presque en temps réel, la présence d'objets biologiques (ex cytochrome[5]) ou de bactéries pathogènes vivantes[6], étudier les propriétés physiques et biologiques de membranes protéiques[7], détecter des pesticides[8].

Recherche[modifier | modifier le code]

La localisation et l'intensité des pics d'absorption et d'émission des plasmons sont affectées par l'adsorption moléculaire, fait qui peut être mis à profit dans les capteurs moléculaires. À titre d'exemple, un prototype opérationnel détection de la caséine dans le lait existe, basé sur la détection des changements dans l'absorption d'une couche d'or[9].

Les Plasmons de surface de nanoparticules métalliques peuvent être utilisés pour détecter différents types de molécules, protéines, etc. et la recherche fondamentale s'intéresse aussi et par exemple à l'interaction des plasmons avec les nanostructures complexes[10].

Les plasmons sont aussi l'un des moyens possibles de transmettre des informations sur les puces d'ordinateur, avec des fréquences potentiellement beaucoup plus élevées (environ 100 THz). Pour l'électronique à base de plasmons, on cherche à améliorer l'analogue d'un transistor dit plasmonster déjà inventé[11].

En mars 2010, S. Assefa et son équipe, chez IBM ont signalé la création de nouveaux photodétecteurs ultra-rapide et sans bruit (Nanophotonic avalanche photodetectors) qui ouvrent la voie à l'ère de l'informatique nanophotonique en exaflop[12],[13] ,[14]. «Nous travaillons actuellement sur l'intégration de l'ensemble de nos dispositifs sur un microprocesseur aux côtés de transistors » [15]."

La réalisation de photodétecteurs de très petite taille pourrait être le dernier élément de la « boîte à outils nanophotoniques » nécessaire à la construction de puces et ordinateurs à très hautes performances.

Les plasmons de surface sont très sensibles aux propriétés des matériaux sur lesquels ils se propagent. Ceci a conduit à leur utilisation pour mesurer l'épaisseur des films monocouches sur colloïde.

Les plasmons ont également été proposée comme un moyen d'améliorer la lithographie à haute résolution et la microscopie en raison de leur longueur d'onde extrêmement faible, avec quelques applications de démonstration couronnées de succès en laboratoire.

Enfin, les plasmons de surface ont une capacité unique de confiner la lumière dans de très petites dimensions, qui pourraient permettre à beaucoup de nouvelles applications.

En 2009, une équipe de recherche coréenne a trouvé un moyen d'améliorer grandement l'efficacité de diodes luminescentes organiques en utilisant ces plasmons[16].

Dans le cadre d'un projet de 3 ans dit "PRIMA" (Plasmon Resonance for IMproving the Absorption of solar cells), des chercheurs européens dirigés par l'IMEC cherchent à améliorer l'efficacité des cellules solaires et à en diminuer les coûts en leur incorporant des nanostructures métalliques utilisant des effets plasmoniques. Ceci concerne différents types de cellules solaires : silicium cristallin (c-Si), haute performance III-V, organiques, cellules à pigment photosensible[17].

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

  • (fr)

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  • Charles Kittel (trad. Nathalie Bardou, Évelyne Kolb), Physique de l’état solide [« Solid state physics »],‎ 1998 [détail des éditions]
  • J. M. Ziman, Principles of the theory of Solids (Cambridge University Press)
  • Akira Ishihara, Electron Liquids (Springer-Verlag)
  • H. J. Schulz, Phys. Rev. Lett. 71, 1864 (1993)
  1. Shigeru Toyama, Narumasa Doumae, Atsumu Shoji, Yoshihito Ikariyama ; Design and fabrication of a waveguide-coupled prism device for surface plasmon resonance sensor ; Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 65, Issues 1-3, 30 June 2000, Pages 32-34 (Résumé)
  2. Claes Nylander, Bo Liedberg, Tommy Lind ; Gas detection by means of surface plasmon resonance  ; Sensors and Actuators, Volume 3, 1982-1983, Pages 79-88 (Résumé)
  3. Shozo Miwa, Tsuyoshi Arakawa ; Selective gas detection by means of surface plasmon resonance sensors ; Thin Solid Films, Volumes 281-282, 1 August 1996, Pages 466-468
  4. Kyle S. Johnston, Scott R. Karlsen, Chuck C. Jung, Sinclair S. Yee ; New analytical technique for characterization of thin films using surface plasmon resonance ; Materials Chemistry and Physics, Volume 42, Issue 4, December 1995, Pages 242-246 (Résumé)
  5. Tsutomu Ishihara, Tsuyoshi Arakawa ; Detection of cytochrome C by means of surface plasmon resonance sensor  ; Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 91, Issues 1-3, 1 June 2003, Pages 262-265 (résumé)
  6. Framatico P. M, Strobaugh T. P, MedinaM. B, Gehring A. G.  ; Detection of Escherichia coli O157:H7 using a surface plasmon resonance biosensor ; Biotechnology techniques ; 1998, vol. 12, no7, pp. 571-576  ; ISSN:0951-208X  ; résumé
  7. Salamon Z. ; MacLeod H. A. ; Tollin G.  ; Surface plasmon resonance spectroscopy as a tool for investigating the biochemical and biophysical properites of membrane protein systems I : Theoretical principles ; Biochimica et biophysica acta, MR. Reviews on biomembranes ISSN:0304-4157 ; 1997, vol. 1331, no2, pp. 117-129  ; (Résumé)
  8. Chegel, Yu. M. Shirshov, E. V. Piletskaya, S. A. Piletsky ; Surface plasmon resonance sensor for pesticide detection  ; Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 48, Issues 1-3, 30 May 1998, Pages 456-460 V. I. (résumé)
  9. H. M. Hiep et al. "A localized surface plasmon resonance based immunosensor for the detection of casein in milk" Sci. Technol. Adv. Mater. 8 (2007) 331 Télécharger l'article gratuitement
  10. E. Prodan, C. Radloff, N. J. Halas et P. Nordlander ; Report A Hybridization Model for the Plasmon Response of Complex Nanostructures ; Science 17 October 2003: Vol. 302 no. 5644 pp. 419-422 ; DOI: 10.1126/science.1089171 (Résumé)
  11. À propos du plasmonster ; par SPIE
  12. Assefa, Solomon; Xia, Fengnian; Vlasov, Yurii A. (2010). "Reinventing germanium avalanche photodetector for nanophotonic on-chip optical interconnects". Nature 464 (7285): 80. doi:10.1038/nature08813.
  13. "Research Discovery By Ethiopian Scientist At IBM at Tadias Magazine". Tadias.com. Consulté 2010-03-15.
  14. "IBM Research | IBM Research | Silicon Integrated Nanophotonics". Domino.research.ibm.com. 2010-03-04. Consulté 2010-03-15.
  15. "Avalanche photodetector breaks speed record". physicsworld.com. Consulté 2010-03-15.
  16. Prof. Choi Unveils Method to Improve Emission Efficiency of OLED
  17. Electro IQ EU partners eye metallic nanostructures for solar cells  ; PV World 01 April 2010, 2010/03.30