プラズモン

プラズモン：金属の自由電子の集団振動

プラズモンとは、金属内部の自由電子が集団的に振動する現象（プラズマ振動）を量子化したものです。この振動は、電子の密度変化に伴う電場と電子の相互作用によって維持されます。プラズモンのエネルギーは、プラズマ振動数ωpを用いてħωpと表されます。ここで、ħはディラック定数です。

プラズモンの観測

プラズモンは、金属だけでなく、絶縁体、半導体、半金属、さらには大きな原子や分子においても観測されています。物質の種類によってプラズモンのエネルギーは大きく異なり、半導体や半金属では0.01～0.1eV程度であるのに対し、通常の固体における価電子によるプラズモンのエネルギーは10eV程度になります。

半導体や半金属においては、自由電荷担体によるプラズモンのエネルギーは比較的低く、極性半導体では、プラズマ波が縦波の光学フォノンと結合モードを形成します。強磁場下では、磁気プラズマに関連した様々なモードが現れます。これらのモードの励起は、光反射やラマン散乱などの分光法によって研究されています。

金属や半導体結晶では、自由電子近似が有効な場合が多く、プラズマ振動数は価電子の密度nVと自由電子の質量m0を用いて、√(4πnVe²/m0)で近似できます。Si、Al、Mg、Be、アルカリ金属などがこの近似が適用できる物質の例です。価電子プラズモンは、X線の非弾性散乱や高エネルギー電子（1-10keV）のエネルギー損失スペクトルによって観測できます。また、広い波長範囲の光反射スペクトルをクラマース・クローニッヒ関係式を用いて誘電関数の虚部に変換することで、プラズモンの励起スペクトルを得ることも可能です。

表面プラズモンとプラズモニクス

金属ナノ粒子では、プラズモンは粒子表面に局在します。これを表面プラズモン、または局在プラズモンと呼びます。特に金コロイドなどの金属ナノ粒子では、可視光～近赤外領域の光電場とプラズモンが強く相互作用し、光吸収が起こり、鮮やかな色調を示します。この現象は表面プラズモン共鳴と呼ばれ、局所的に電場が大きく増強されるという特徴があります。

表面プラズモン共鳴は、光エネルギーが表面プラズモンに変換される現象であり、金属ナノ粒子表面に光のエネルギーが蓄えられるだけでなく、光の回折限界を超える微小領域での光制御を可能にします。共鳴波長は、ナノ粒子の形状や周囲媒質の誘電率によって変化します。

金属ナノ粒子と光との相互作用は、光科学技術において非常に注目されており、表面プラズモンの設計、制御、応用技術はプラズモニクスと呼ばれ、エレクトロニクスやフォトニクス分野で発展を続けています。プラズモニクスは、ナノスケールでの光制御技術として、光デバイスやセンサ、バイオイメージングなど、幅広い分野への応用が期待されています。

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