Plasmon (Physik)

Plasmonen werden die quantisierten Dichteschwankungen von Ladungsträgern in Halbleitern, Metallen und Isolatoren genannt; quantenmechanisch werden sie als Quasiteilchen behandelt. Der Begriff ist eine gebräuchliche Abkürzung für Plasmaschwingungsquanten. Was das Photon für elektromagnetische Wellen darstellt, ist das Plasmon für Schwingungen im Fermigas von Metallen.

Man unterscheidet zwischen:

• Partikelplasmon
• Oberflächenplasmon
• Volumenplasmon

Wobei die ersten beiden zu den Plasmon-Polaritonen gehören, da hier Elektronendichteschwankungen mit EM-Feldern, außerhalb des Metalls, koppeln. Streng genommen müssten Oberflächenplasmonen und Partikelplasmonen somit den Zusatz Polariton erhalten.

Erläuterung

Klassisch kann man sich Plasmonen als Elektronen vorstellen, die relativ zu den positiven Ionen oszillieren. Zur besseren Verdeutlichung kann man sich einen kubischen Metallklotz in einem nach rechts gerichteten Feld vorstellen. Die freien Elektronen bewegen sich nun nach links bis das Feld im innern ausgeglichen ist. Dabei werden am rechten Rand positive Ionen freigelegt. Schaltet man das äußere Feld nun ab, wandern die Elektronen wieder nach rechts, durch die gegenseitige Abstoßung und die Anziehung durch die positiven Ionen. So oszillieren die Elektronen nun mit der Plasmafrequenz hin und her, bis die Energie durch Reibung oder andere Dämpfungen aufgebraucht ist. Plasmonen sind die Quantisierung dieser Eigenfrequenz.

Energie

Plasmonen besitzen näherungsweise die Energie

$E_{p} = \hbar \sqrt{\frac{n e^{2}}{m\varepsilon_0}} = \hbar \cdot \omega_{p} = \frac{h}{2 \cdot \pi} \cdot \omega_{p}\,,$

wobei n die Valenzelektronendichte, e die Elementarladung, m die Elektronenmasse , ε₀ die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums, h das plancksche Wirkungsquantum und ω_p die Plasmafrequenz ist.