# 等离激元

*本文来源于AI生成*

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。