表面プラズモン

表面プラズモン（Surface Plasmon, SP）

表面プラズモン（Surface Plasmon, 略称：SP）とは、異なる物理的性質を持つ二つの物質の界面において観測される、電子の協調的な振動現象を指します。特に、金属と誘電体のように、境界面を挟んで誘電率の実数部の符号が変化するような組み合わせの界面で発生しやすい現象です。この現象は、界面に存在する電子が特定の周波数でコヒーレントに振動し、その振動が界面に沿って伝播することで特徴づけられます。

この電子の振動は、物質の内部に存在する電子集団全体の縦方向の振動である「バルクプラズモン（体積プラズモン）」とは性質が異なります。バルクプラズモンが物質内部の陽イオン核に対して電子ガスが全体として振動するのに対し、表面プラズモンは界面付近の電子が局所的に振動します。エネルギーの観点では、表面プラズモンは一般的にバルクプラズモンよりも低いエネルギーで励起されます。

表面プラズモンの電子運動は、常に金属の表面およびその周辺に電磁場を誘起します。この電荷の運動とそれに伴う電磁場の両方を含めた励起全体を、一般的に「表面プラズモン」と呼びます。しかし、界面の形状によって、この励起の性質や呼び方が区別されることがあります。平面的な界面を伝わる表面プラズモンは「表面プラズモンポラリトン（Surface Plasmon Polariton, SPP）」と呼ばれ、界面に沿って波のように伝播します。一方、微小な金属粒子のような閉じた曲面の表面に存在する表面プラズモンは、「局在表面プラズモン（Localized Surface Plasmon, LSP）」と呼ばれ、粒子のサイズや形状に依存した特定の周波数で強く共鳴します。

表面プラズモンの存在は、理論的には古くから示唆されていましたが、その具体的な予測は1957年に物理学者のルーファス・リッチー（Rufus Ritchie）によって初めて行われました。彼の先駆的な仕事に続き、その後の20年間にわたって多くの科学者によって表面プラズモンの研究が精力的に進められました。特に、1950年代から60年代にかけてはT. ターバダー（T. Turbadar）が、そして1960年代から70年代にかけてはハインツ・レーザー（Heinz Raether）、E. クレッチマン（E. Kretschmann）、A. オットー（A. Otto）といった研究者たちが、実験的な観測方法の開発や理論的な理解の深化に大きく貢献しました。クレッチマンやオットーは、プリズムを用いた表面プラズモンの励起方法（クレッチマン配置、オットー配置）を確立し、その後の研究の基礎を築きました。

近年、表面プラズモン、特に局在表面プラズモンは、ナノメートルスケールの構造における光と物質の相互作用を極めて強く制御できることから、注目を集めています。この現象を利用して、ナノスケールで光信号を伝送したり、光のエネルギーを特定の場所に集中させたりする技術分野は、「プラズモニクス（Plasmonics）」と呼ばれています。プラズモニクスは、従来の電子工学やフォトニクス（光工学）の限界を超える可能性を秘めており、超小型・超高速の情報処理デバイスや、高感度センサー、効率的な太陽電池など、多岐にわたる応用が期待されています。

表面プラズモンの研究は、基礎物理学だけでなく、バイオセンサー、化学反応の増強、高解像度イメージング（プラズモン顕微鏡）、そしてレーザーに似た新しいタイプの光源であるSPASER（Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation）の開発など、様々な応用分野へと広がっています。自由電子やプラズマ振動といった物理学の基礎概念とも深く関連しており、物性物理学、ナノテクノロジー、光工学、生化学など、幅広い分野の研究対象となっています。

この分野の最新の研究動向や学術的な情報は、例えば関連する学会やワークショップの資料、特定のウェブサイトなどで公開されており、関心のある研究者や学生にとって重要な情報源となっています。（参考外部リンク）

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