等离激元

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等离激元（Plasmon）是凝聚态物理和光子学中的重要概念，特指导电材料（如金属或掺杂半导体）中自由载流子与电磁场相互作用形成的集体振荡量子化准粒子。以下是系统解析：

  1. 物理本质

    • 源于库仑长程作用下电子密度的集体振荡

    • 是电子系统对外界电磁扰动的量子化响应

    • 满足方程：ω² = ω_p² + (3/5)v_F²k² （体积等离激元色散关系，ω_p为等离子体频率）

  2. 核心分类 体等离激元

    • 存在于材料三维体积内

    • 特征频率由Langmuir公式决定：ω_p = √(ne²/(ε_0m^*))

    表面等离激元

    • 表面等离极化激元（Surface Plasmon Polariton, SPP） ▶ 沿金属-介质界面传播的电磁波 ▶ 满足色散方程：β = k_0√(ε_mε_d/(ε_m+ε_d))

    • 局域表面等离激元（Localized Surface Plasmon, LSP） ▶ 受限在纳米结构中的共振模式 ▶ 经典Mie理论解：σ_ext = (24π²a³ε_d³/² /λ) · Im[ (ε_m - ε_d)/(ε_m + 2ε_d) ]

  3. 激发机制

    • 相位匹配条件：k_SPP = k_photon · sinθ + m(2π/Λ)

    • 典型激发手段：

      • Kretschmann棱镜耦合（入射角>全反射角）

      • 光栅耦合（利用周期性结构补偿波矢差）

      • 近场激发（如扫描近场光学显微镜探针）

  4. 关键特性

    • 亚波长局域：突破衍射极限（典型场约束尺度≈λ/20）

    • 强场增强：局域电场放大可达10³-10⁴倍

    • 色散可调：通过结构设计实现从可见光到太赫兹的响应调控

  5. 前沿应用

    • 集成光子芯片（表面等离子体波导损耗已降至0.1 dB/μm）

    • 单分子检测（SERS增强因子达10¹⁴）

    • 热载流子器件（量子效率突破Schottky极限）

    • 超构表面（实现亚波长相位调控，如金属透镜）

学科交叉进展：最新Nature Photonics研究显示，通过过渡金属硫化物/TMDC异质结可实现室温激子-等离激元强耦合（Rabi分裂能达200 meV），为量子调控开辟新途径。

理解等离激元现象需掌握：

  1. Maxwell边界条件处理

  2. 金属介电函数Drude-Smith模型

  3. 纳米结构的几何维度效应

建议进一步研究Smith-Purcell辐射与等离激元的相互作用机制，此为当前Physical Review Letters热点方向。