Plasmon de surface

Représentation schématique d'une onde de densité électronique se propageant le long d'une interface métal-diélectrique. Les oscillations de densité de charge et les champs électromagnétiques associés sont appelés polariton plasmonique de surface. La dépendance exponentielle de l'intensité du champ électromagnétique par rapport à la distance de l'interface est illustrée à droite. Ces ondes peuvent être excitées très efficacement avec de la lumière dans le domaine visible du spectre électromagnétique.

Les plasmons de surface (PSs') sont des oscillations cohérentes électron délocalisé qui existent à l'interface entre deux matériaux quelconques où la partie réelle de la fonction diélectrique change de signe à travers l'interface (par exemple une interface métal-diélectrique, telle qu'une feuille de métal dans l'air). Les PS ont une énergie inférieure à celle des plasmons en volume qui quantifient les oscillations électroniques longitudinales autour des noyaux d'ions positifs dans le volume d'un gaz de Fermi (ou plasma).

Le mouvement de charge dans un plasmon de surface crée toujours des champs électromagnétiques à l'extérieur (ainsi qu'à l'intérieur) du métal. L'excitation "totale", comprenant à la fois le mouvement de charge et le champ électromagnétique associé, est appelée soit polariton du plasmon de surface à une interface plane, soit plasmon de surface localisé pour la surface fermée d'une petite particule.

L'existence de plasmons de surface a été prédite pour la première fois en 1957 par Rufus Ritchie[1]. Au cours des deux décennies suivantes, les plasmons de surface ont fait l'objet d'études approfondies par de nombreux scientifiques, dont les principaux étaient T. Turbadar dans les années 1950 et 1960, et Heinz Raether, E. Kretschmann et A. Otto dans les années 1960 et 1970. Le transfert d'informations dans des structures à l'échelle nanométrique, similaire à la photonique, au moyen de plasmons de surface, est appelé plasmonique[2].

Les plasmons de surface font partie des solutions des équations de propagation des ondes électromagnétiques ou équations de Maxwell, ce sont des solutions particulières à l'interface entre certains milieux. L'oscillation collective des électrons qui leur correspond coexiste avec le champ électromagnétique évanescent des deux côtés de l'interface.

PrincipeModifier

En particulier, une interface entre un métal, tel l'argent, et le vide ou l'air, révèle assez facilement l'apparition des plasmons. Le vecteur d'onde   a alors deux composantes, une réelle, correspondant à la propagation du plasmon le long de l'interface, et une composante imaginaire, caractérisant la décroissance de l'onde des deux côtés de l'interface.

Un exemple de telles ondes peut être obtenu par un montage simple, nécessitant néanmoins quelques moyens techniques.

Sur une face d'un prisme en verre, on dépose (par évaporation) un film d'argent de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur. On amène alors un rayon de polarisation TM (transverse magnétique) avec un angle incident   supérieur à l'angle incident limite de réfraction   du dioptre verre-air. Pour un angle bien déterminé, caractéristique du métal, l'onde qui était totalement réfléchie est absorbée par l'excitation des plasmons de surface : l'onde réfléchie disparaît.

Le phénomène est alors aisément observable.

Cette capture de l'onde incidente est permise par la nature complexe de la constante diélectrique du métal, qui fait le lien entre l'onde incidente TM et l'onde plasmon de surface.

Ces ondes trouvent diverses applications en physique et biophysique avec la résonance plasmon de surface.

Détails de la génération des plasmons de surfaceModifier

La figure ci-contre montre une suite d'instantanés d'un paquet d'onde transverse magnétique arrivant de la gauche (voir le schéma précédent) à l'interface verre-métal. Le paquet est réfléchi en partie, du fait de la capture de l'énergie électromagnétique par le plasmon de surface qui est créé. Le plasmon se déplace alors à l'interface métal-air. Le choix d'échelles d'espace très différentes permet la mise en évidence de l'importante augmentation de la densité de l'énergie du champ électromagnétique, caractéristique du phénomène, résultat du confinement, source de nombreuses applications.

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

Liens externesModifier

Notes et référencesModifier

  1. R. H. Ritchie, « Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films », Revue de physique, vol. 106, no 5,‎ , p. 874-881 (DOI 10.1103/PhysRev.106.874, Bibcode 1957PhRv..106..874R)
  2. Albert Polman et Harry A. Atwater, « Plasmonics : optics at the nanoscale », Materials Today, vol. 8,‎ , p. 56 (DOI 10.1016/S1369-7021(04)00685-6, lire en ligne, consulté le 26 janvier 2011)