プラズモン

プラズモン（英語: plasmon）とは、金属中の自由電子による集団的な振動（プラズマ振動）の量子である。

解説

プラズマ振動数を${\displaystyle \omega _{p}}$とすると、プラズモンのエネルギーは${\displaystyle \hbar \omega _{p}}$^[1]である。プラズモンは絶縁体、金属、半導体、半金属のほか、大きな原子や分子において観測されている。半導体や半金属中の自由担体によるプラズモンのエネルギーは ${\displaystyle 0.01\sim 0.1{\rm {eV}}}$（電子ボルト）程度である。極性半導体のプラズマ波は縦波の光学フォノンと共に結合モードを形成する。強磁場中の半導体や半金属では磁気プラズマに関する多彩なモードが生じる。これらのモードの励起は光反射やラマン散乱によって研究されている。通常の固体で、価電子帯を占めるすべての電子によるプラズモンのエネルギーは ${\displaystyle 10{\rm {eV}}}$程度である。ほとんど自由な電子の近似が適応しうる金属や半導体結晶では、プラズマ振動数は自由電子集団によるものにほぼ等しく、${\displaystyle {\sqrt {4\pi n_{V}e^{2}/m_{0}}}}$で与えられる（${\displaystyle n_{V}}$は価電子の密度、${\displaystyle m_{0}}$は自由電子の質量）。Si、Al、Mg、Be、やアルカリ金属などがこれに相当する。価電子プラズモンはX線の非弾性散乱や高速電子（1-10keV）のエネルギー損失スペクトルにより観測できる。真空紫外領域に至る広い波長領域の光反射スペクトルをクラマース・クローニッヒの関係によって誘電関数の逆数の虚部に変換すると、プラズモンの励起スペクトルが見られる^[2]。

表面プラズモン

金属ナノ粒子ではプラズモンが表面に局在することになるので、表面（局在）プラズモンとも呼ばれる。中でも金コロイドなどの金属ナノ粒子では、可視-近赤外域の光電場とプラズモンがカップリングして光吸収が起こり、鮮やかな色調を呈する。この現象が表面（局在）プラズモン共鳴^[3]であり、局所的に著しく増強された電場も発生する。つまり、光エネルギーが表面プラズモンに変換されることにより、金属ナノ粒子表面に光のエネルギーが蓄えられるばかりでなく、光の回折限界より小さな領域での光制御が可能となることを意味する。また、粒子形や周囲媒質の誘電率に依存した共鳴波長がある。

このような金属ナノ粒子と光との相互作用が光科学技術の分野で注目されている。表面プラズモンの設計・制御・応用技術はエレクトロニクスやフォトニクスに対応してプラズモニクスと呼ばれる。

脚注

関連項目

• プラズマ
• 電子ガス
• エバネッセント場
• プラズモン顕微鏡
• プラズモニック太陽電池

外部リンク

• プラズモニクス研究会

表 話 編 歴 物性物理学
物質の状態	固体 液体 気体 ボース＝アインシュタイン凝縮 フェルミ凝縮 フェルミ気体 フェルミ液体 超固体 超流動 朝永–ラッティンジャー液体 時間結晶
相現象	秩序変数 相転移
電子相	バンド構造 絶縁体 モット絶縁体 半導体 半金属 電気伝導体 超伝導 熱電効果 ゼーベック効果 ペルティエ効果 トムソン効果 圧電効果 強誘電体 スピンギャップレス半導体
電子現象	ホール効果 量子ホール効果 スピンホール効果 Berry位相 アハラノフ＝ボーム効果 ジョセフソン効果 近藤効果
磁気相	反磁性 超反磁性 常磁性 超常磁性 強磁性 反強磁性 フェリ磁性 メタ磁性 スピングラス
準粒子	フォノン 励起子 プラズモン ポラリトン ポーラロン マグノン
ソフトマター	アモルファス 粉粒体 液晶 重合体
科学者	マクスウェル ファン・デル・ワールス デバイ ブロッホ オンサーガー モット パイエルス ランダウ ラッティンジャー アンダーソン バーディーン クーパー シュリーファー ジョゼフソン コーン カダノフ マイケル・フィッシャー
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