Plasmon (Physik)

Plasmonen werden die quantisierten Schwankungen der Ladungsträgerdichte 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:

• Partikelplasmon
• Oberflächenplasmon
• Volumenplasmon

Die ersten beiden gehören zu den Plasmon-Polaritonen, da hier Schwankungen der Elektronendichte mit elektromagnetischen Feldern außerhalb des Metalls koppeln. Streng genommen müssten Oberflächen- 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 Inneren ausgeglichen ist. Dabei werden am rechten Rand positive Ionen freigelegt. Schaltet man das äußere Feld nun ab, wandern die Elektronen infolge der gegenseitigen Abstoßung und der Anziehung durch die positiven Ionen wieder nach rechts. 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 Eigenschwingung.

Energie

Plasmonen besitzen näherungsweise die Energie

$ E_{p}=\hbar \cdot \omega _{p}={\frac {h}{2\cdot \pi }}\cdot \omega _{p}=\hbar {\sqrt {\frac {ne^{2}}{m\varepsilon _{0}}}}\,. $

Dabei ist

• $ h $ das plancksche Wirkungsquantum und
• $ \omega _{p} $ die Plasmafrequenz
• $ n $ die Dichte der Valenzelektronen
• $ e $ die Elementarladung
• $ m $ die Elektronenmasse
• $ \varepsilon _{0} $ die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums.