Plasmanivåerna

Plasmanivåerna är kvantiserade kollektiva oscillationer av fria elektroner i ledande material, framför allt i metaller. När elektronmolnet oscillerar mot den positiva jonkärnan uppstår en gemensam, vågformad rörelse som beskrivs som en plasmon. Plasmanivåerna är därför kvantiserade excitationslägen av elektronmolnet.

I bulkmetaller uppträder bulkplasmonen med frekvensen ωp, som i Drudemodellen ges av ωp = sqrt(n e^2 /(ε0 m*)). Här anger n elektronkoncentrationen och m* den effektiva massan. I de flesta metaller ligger ωp i ultraviolett område, vilket gör bulkplasmoner svåra att observera i synligt ljus.

Vid gränsen mellan en metall och ett dielektrikum uppstår ytplasmons (surface plasmons). Deras dispersion beror på miljön; resonansen uppfyller i enkel modell ε_m(ω) = -ε_d. För noble metals kan ytplasmons ligga i synligt ljus och används i sensorik och subvåglängds ljusmanipulation.

I nanopartiklar blir plasmanivåerna diskreta på grund av geometrisk avgränsning (Mie-resonanser). Den dominerande dipolmoden i små partiklar kan anpassas genom partikelstorlek, form och omgivning. När partiklar är nära varandra kan plasmonlägen hybridisera och bilda bonding- och antibonding-lägen.

Plasmoner dämpas av elektron-spridning och radiativa förluster samt Landau-dämpning, vilket ger dem en livstid och bredare resonanser.

Användningar omfattar plasmonik, ytsensorer baserade på LSPR, optiska förstärkningar, fototermisk behandling och metamaterialdesign. Plasmanivåerna gör det möjligt att kontrollera ljus vid subvåglängder och att skapa starka lokaliserade fält.