ในทางฟิสิกส์พลาสมอนคือควอนตัมของการสั่นของพลาสมาเช่นเดียวกับแสง (การสั่นทางแสง) ที่ประกอบด้วยโฟตอนการสั่นของพลาสมาก็ประกอบด้วยพลาสมอน พลาสมอนสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นอนุภาคเสมือนเนื่องจากมันเกิดขึ้นจากการควอนตัมของการสั่นของพลาสมา เช่นเดียวกับโฟนอนที่เป็นการควอนตัมของการสั่นสะเทือนทางกล ดังนั้น พลาสมอนจึงเป็นการสั่นแบบรวมกลุ่ม (จำนวนที่ไม่ต่อเนื่อง) ของ ความหนาแน่นของ ก๊าซอิเล็กตรอนอิสระตัวอย่างเช่น ที่ความถี่แสง พลาสมอนสามารถรวมตัวกับโฟตอนเพื่อสร้างอนุภาคเสมือนอีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่า พลาสมอนโพ ลาไร ตัน

สาขาที่ศึกษาและควบคุมพลาสมอนเรียกว่าพลาสมอนิกส์

พลาสมอนได้รับการเสนอครั้งแรกในปี พ.ศ. 2495 โดยเดวิด ไพน์สและเดวิด โบห์ม^{[ 1 ]}และแสดงให้เห็นว่าเกิดขึ้นจากแฮมิลโทเนียนสำหรับความสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนระยะไกล^{[ 2 ]}

เนื่องจากพลาสมอนเป็นการควอนตัมของการสั่นของพลาสมาแบบคลาสสิก คุณสมบัติส่วนใหญ่จึงสามารถหาได้โดยตรงจากสมการของแม็กซ์เวลล์^{[ 3 ]}

ในเชิงคลาสสิก พลาสมอนสามารถอธิบายได้ว่าเป็นการสั่นของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเมื่อเทียบกับไอออนบวก ที่คง ที่ในโลหะเพื่อให้เห็นภาพการสั่นของพลาสมอน ลองนึกภาพลูกบาศก์โลหะที่วางอยู่ในสนามไฟฟ้า ภายนอก ที่ชี้ไปทางขวาอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปทางด้านซ้าย (โดยเปิดเผยไอออนบวกทางด้านขวา) จนกระทั่งสนามไฟฟ้าภายในโลหะถูกหักล้าง หากสนามไฟฟ้าถูกกำจัดออกไป อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปทางขวา โดยผลักกันเองและถูกดึงดูดไปยังไอออนบวกที่เหลืออยู่ทางด้านขวา พวกมันจะสั่นไปมาด้วยความถี่พลาสมอนจนกว่าพลังงานจะสูญเสียไปในรูปของความต้านทานหรือการลดทอนพลาสมอนคือการควอนตัมของการสั่นแบบนี้

พลาสมอนมีบทบาทสำคัญใน คุณสมบัติ ทางแสงของโลหะและสารกึ่งตัวนำ ความถี่ของแสงที่ต่ำกว่าความถี่พลาสมาจะถูกสะท้อนโดยวัสดุเนื่องจากอิเล็กตรอนในวัสดุจะบังสนามไฟฟ้าของแสง แสงที่มีความถี่สูงกว่าความถี่พลาสมาจะถูกส่งผ่านวัสดุเนื่องจากอิเล็กตรอนในวัสดุไม่สามารถตอบสนองได้เร็วพอที่จะบังแสงนั้นได้ ในโลหะส่วนใหญ่ ความถี่พลาสมาอยู่ในช่วงอัลตราไวโอเลตทำให้โลหะเหล่านั้นมีความมันวาว (สะท้อนแสง) ในช่วงที่มองเห็นได้โลหะบางชนิด เช่นทองแดง^{[ 4 ]}และทองคำ [ ^{5 ]}มีการเปลี่ยนผ่านระหว่างแถบอิเล็กตรอนในช่วงที่มองเห็นได้ ซึ่งพลังงานแสงเฉพาะ (และสี) จะถูกดูดซับ ทำให้เกิดสีที่แตกต่าง ^กัน

ในสารกึ่ง ตัวนำ ความถี่ พ ลาสมอน ของอิเล็กตรอนวาเลนซ์มักจะอยู่ในช่วงอัลตราไวโอเลตลึก ในขณะที่การเปลี่ยนผ่านระหว่างแถบอิเล็กตรอนอยู่ในช่วงที่มองเห็นได้ เช่นเดียวกับทองแดงและทองคำ ทำให้เกิดสีและการสะท้อนแสงที่แตกต่างกัน^{[ 6 ] [ 7 ]}มีการแสดงให้เห็นว่าความถี่พลาสมอนอาจเกิดขึ้นในช่วงอินฟราเรดกลางและอินฟราเรดใกล้เมื่อสารกึ่งตัวนำอยู่ในรูปของอนุภาคนาโนที่มีการเจือปนสูง^{[ 8 ] [ 9 ]}

โดยทั่วไปแล้ว พลังงานพลาสมอนสามารถประมาณได้ในแบบจำลองอิเล็กตรอนอิสระโดย ใช้สูตร โดย ที่คือพลังงานการแผ่รังสีคือความถี่พลาสมอนคือความหนาแน่นของอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าคือประจุพื้นฐานคือมวลของอิเล็กตรอนคือค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าของสุญญากาศและคือค่าคงที่ของพลังค์แบบลดทอน $${\displaystyle E_{\rm {p}}=\hbar {\sqrt {\frac {ne^{2}}{m\varepsilon _{0}}}}=\hbar \omega _{\rm {p}},}$$${\displaystyle E_{\rm {p}}}$${\displaystyle \โอเมก้า _{\rm {p}}}$${\displaystyle n}$${\displaystyle e}$${\displaystyle m}$${\displaystyle \varepsilon _{0}}$${\displaystyle \hbar }$

พลาสมอนพื้นผิวคือพลาสมอนที่ถูกจำกัดอยู่บนพื้นผิวและมีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงกับแสง ส่งผลให้เกิดโพลาไรตัน [ ^{10 ] พ} ลาสม อนเหล่านี้เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานของวัสดุที่มีส่วนจริงของค่าสภาพยอมสัมพัทธ์เป็นบวก กล่าวคือ ค่า คงที่ไดอิเล็กตริก (เช่น สุญญากาศ อากาศ แก้ว และไดอิเล็กตริกอื่นๆ) และวัสดุที่มีส่วนจริงของค่าสภาพยอมเป็นลบที่ความถี่ของแสงที่กำหนด โดยทั่วไปจะเป็นโลหะหรือสารกึ่งตัวนำที่มีการเจือปนสูง นอกจากเครื่องหมายตรงข้ามของส่วนจริงของค่าสภาพยอมแล้ว ขนาดของส่วนจริงของค่าสภาพยอมในบริเวณค่าสภาพยอมที่เป็นลบโดยทั่วไปควรมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของค่าสภาพยอมในบริเวณค่าสภาพยอมที่เป็นบวก มิฉะนั้นแสงจะไม่ถูกผูกไว้กับพื้นผิว (กล่าวคือ พลาสมอนพื้นผิวไม่มีอยู่จริง) ดังที่แสดงในหนังสือที่มีชื่อเสียงของไฮนซ์ ราเธอร์^{[ 11 ]}ที่ความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้ เช่น ความยาวคลื่น 632.8 นาโนเมตรที่ได้จากเลเซอร์ He-Ne อินเทอร์เฟซที่รองรับพลาสมอนพื้นผิวมักจะถูกสร้างขึ้นโดยโลหะ เช่น เงินหรือทอง (ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าส่วนจริงเป็นลบ) ที่สัมผัสกับไดอิเล็กทริก เช่น อากาศหรือซิลิคอนไดออกไซด์ การเลือกวัสดุที่เฉพาะเจาะจงสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อระดับการกักเก็บแสงและระยะการแพร่กระจายเนื่องจากการสูญเสีย พลาสมอนพื้นผิวยังสามารถมีอยู่บนอินเทอร์เฟซอื่นที่ไม่ใช่พื้นผิวเรียบ เช่น อนุภาค หรือแถบสี่เหลี่ยม ร่องรูปตัววี ทรงกระบอก และโครงสร้างอื่นๆ โครงสร้างหลายอย่างได้รับการศึกษาเนื่องจากความสามารถของพลาสมอนพื้นผิวในการกักเก็บแสงไว้ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสง โครงสร้างอย่างง่ายอย่างหนึ่งที่ได้รับการศึกษาคือระบบหลายชั้นของทองแดงและนิกเกล Mladenovic และคณะรายงานการใช้หลายชั้นราวกับว่าเป็นวัสดุพลาสมอนิกชนิดเดียว^{[ 12 ]}การออกซิเดชันของชั้นทองแดงถูกป้องกันด้วยการเพิ่มชั้นนิกเกล การใช้ทองแดงเป็นวัสดุพลาสโมนิกส์เป็นวิธีที่ง่ายในการบูรณาการพลาสโมนิกส์ เนื่องจากเป็นโลหะที่นิยมใช้กันมากที่สุดควบคู่กับนิกเกิล โครงสร้างหลายชั้นทำหน้าที่เป็นตะแกรงเลี้ยวเบนสำหรับแสงที่ตกกระทบ สามารถลดการส่งผ่านแสงได้มากถึง 40 เปอร์เซ็นต์ที่มุมตกกระทบปกติ ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนความหนาของทองแดงต่อนิกเกิล ดังนั้น การใช้โลหะที่นิยมใช้กันอยู่แล้วในโครงสร้างหลายชั้นจึงพิสูจน์ได้ว่าเป็นทางออกสำหรับการบูรณาการพลาสโมนิกส์

พลาสมอนบนพื้นผิวมีบทบาทในสเปกโทรสโกปีรามานแบบเสริมประสิทธิภาพบนพื้นผิวและในการอธิบายความผิดปกติในการเลี้ยวเบนจากตะแกรง โลหะ ( ความผิดปกติของวูด ) และอื่นๆ อีกมากมายนักชีวเคมีใช้เรโซแนนซ์พลาสมอนบนพื้นผิวเพื่อศึกษาถึงกลไกและจลนศาสตร์ของการจับกันของลิแกนด์กับตัวรับ (เช่น สารตั้งต้นจับกับเอนไซม์ ) เรโซแนนซ์พลาสมอนบนพื้นผิวแบบหลายพารามิเตอร์ไม่เพียงแต่ใช้ในการวัดปฏิสัมพันธ์ระดับโมเลกุลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงคุณสมบัติของชั้นนาโนหรือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในโมเลกุลที่ถูกดูดซับ ชั้นพอลิเมอร์ หรือกราฟีน เป็นต้น

อาจสังเกตพลาสมอนพื้นผิวได้ในสเปกตรัมการปล่อยรังสีเอกซ์ของโลหะ ความสัมพันธ์การกระจายตัวสำหรับพลาสมอนพื้นผิวในสเปกตรัมการปล่อยรังสีเอกซ์ของโลหะได้รับการหามาแล้ว (Harsh และ Agarwal) ^{[ 13 ]}

เมื่อไม่นานมานี้ พลาสมอนพื้นผิวถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมสีของวัสดุ^{[ 14 ]}ซึ่งเป็นไปได้เนื่องจากการควบคุมรูปร่างและขนาดของอนุภาคจะกำหนดประเภทของพลาสมอนพื้นผิวที่สามารถเชื่อมต่อและแพร่กระจายผ่านอนุภาคได้ ซึ่งจะควบคุมปฏิสัมพันธ์ของแสงกับพื้นผิว ผลกระทบเหล่านี้แสดงให้เห็นได้จากกระจกสี โบราณ ที่ประดับประดาโบสถ์ในยุคกลาง สีของกระจกสีบางสีเกิดจากอนุภาคนาโนโลหะที่มีขนาดคงที่ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแสงเพื่อให้กระจกมีสีแดงสดใส ในวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ผลกระทบเหล่านี้ได้รับการออกแบบสำหรับทั้งแสงที่มองเห็นได้และรังสีไมโครเวฟการวิจัยส่วนใหญ่เริ่มต้นในย่านไมโครเวฟก่อน เพราะที่ความยาวคลื่นนี้ พื้นผิววัสดุและตัวอย่างสามารถผลิตได้ทางกล เนื่องจากรูปแบบมักจะมีขนาดประมาณไม่กี่เซนติเมตร การผลิตผลกระทบของพลาสมอนพื้นผิวในช่วงแสงเกี่ยวข้องกับการสร้างพื้นผิวที่มีคุณสมบัติ <400  นาโนเมตรซึ่งทำได้ยากกว่ามากและเพิ่งเป็นไปได้เมื่อไม่นานมานี้ที่จะทำได้อย่างน่าเชื่อถือหรือพร้อมใช้งาน

เมื่อเร็วๆ นี้ กราฟีนยังแสดงให้เห็นว่าสามารถรองรับพลาสมอนบนพื้นผิวได้ โดยสังเกตผ่านเทคนิคกล้องจุลทรรศน์แสงอินฟราเรดแบบใกล้สนาม^{[ 15 ] [ 16 ]}และสเปกโทรสโกปีอินฟราเรด^{[ 17 ]}การประยุกต์ใช้พลาสมอนิกส์ของกราฟีนที่มีศักยภาพส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ความถี่เทราเฮิร์ตซ์ถึงอินฟราเรดกลาง เช่น ตัวปรับสัญญาณแสง โฟโตดีเทคเตอร์ และไบโอเซนเซอร์^{[ 18 ]}

ตำแหน่งและความเข้มของยอดการดูดกลืนและการปล่อยพลาสมอนได้รับผลกระทบจากการดูดซับ โมเลกุล ซึ่งสามารถนำไปใช้ในเซ็นเซอร์โมเลกุลได้ ตัวอย่างเช่น มีการสร้างต้นแบบอุปกรณ์ที่ใช้งานได้อย่างสมบูรณ์ในการตรวจจับเคซีนในนม โดยอาศัยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงในการดูดกลืนของชั้นทองคำ^{[ 19 ]}พลาสมอนพื้นผิวเฉพาะที่ของอนุภาคนาโนโลหะสามารถใช้ในการตรวจจับโมเลกุล โปรตีน และอื่นๆ ได้หลายประเภท

พลาสมอนกำลังถูกพิจารณาว่าเป็นวิธีการส่งผ่านข้อมูลบนชิปคอมพิวเตอร์เนื่องจากพลาสมอนสามารถรองรับความถี่ที่สูงกว่ามาก (อยู่ในช่วง 100  THzในขณะที่สายไฟทั่วไปจะสูญเสียมากในช่วงหลายสิบGHz ) อย่างไรก็ตาม เพื่อให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลาสมอนสามารถใช้งานได้จริง จำเป็นต้องสร้างตัวขยายสัญญาณที่ใช้พลาสมอนซึ่งคล้ายกับทรานซิสเตอร์เรียกว่าพลาสมอนสตอร์^{[ 20 ]}

นอกจากนี้ ยังมีการเสนอให้ใช้ พลาสมอนเป็นวิธี การสร้างภาพด้วยแสงความละเอียดสูงและกล้องจุลทรรศน์ เนื่องจากมีความยาวคลื่นที่เล็กมาก ซึ่งทั้งสองการใช้งานนี้ได้รับการสาธิตสำเร็จแล้วในห้องปฏิบัติการ

สุดท้ายนี้ พลาสมอนบนพื้นผิวมีความสามารถพิเศษในการกักเก็บแสงให้อยู่ในมิติที่เล็กมาก ซึ่งอาจนำไปสู่การใช้งานใหม่ๆ มากมาย

พลาสมอนบนพื้นผิวมีความไวต่อคุณสมบัติของวัสดุที่มันแพร่กระจายมาก ซึ่งทำให้มีการนำไปใช้ในการวัดความหนาของชั้นโมโนเลเยอร์บน ฟิล์ม คอลลอยด์เช่น การคัดกรองและการหาปริมาณ เหตุการณ์การจับตัว ของโปรตีนบริษัทต่างๆ เช่นBiacoreได้นำเครื่องมือที่ทำงานบนหลักการเหล่านี้ออกสู่ตลาดแล้ว พลาสมอนบนพื้นผิวแบบออปติคอลกำลังได้รับการศึกษาเพื่อปรับปรุงการแต่งหน้าโดยL'Oréalและบริษัทอื่นๆ^{[ 21 ]}

ในปี พ.ศ. 2552 ทีมวิจัยชาวเกาหลีค้นพบวิธีปรับปรุง ประสิทธิภาพของ ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ ให้ดีขึ้นอย่างมาก โดยใช้พลาสมอน^{[ 22 ]}

กลุ่มนักวิจัยชาวยุโรปที่นำโดยIMECเริ่มทำงานเพื่อปรับปรุง ประสิทธิภาพและต้นทุนของ เซลล์แสงอาทิตย์โดยการรวมโครงสร้างนาโนโลหะ (โดยใช้เอฟเฟกต์พลาสมอนิก) ที่สามารถเพิ่มการดูดซับแสงในเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทต่างๆ ได้แก่ ซิลิคอนผลึก (c-Si) III-V ประสิทธิภาพสูง อินทรีย์ และย้อมสี^{[ 23 ]}อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ อุปกรณ์ โฟโตโวลตา อิกพลาสมอนิกทำงานได้อย่างเหมาะสม จำเป็นต้องใช้ออกไซด์นำไฟฟ้าโปร่งใสบางเฉียบ^{[ 24 ]}โฮโลแกรม สีเต็มรูปแบบโดยใช้พลาสมอนิก^{[ 25 ]}ได้รับการสาธิตแล้ว

พลาสมอนโซลิตอนในทางคณิตศาสตร์หมายถึงโซลูชันแบบไฮบริดของสมการแอมพลิจูดแบบไม่เชิงเส้น เช่น สำหรับสื่อโลหะแบบไม่เชิงเส้น โดยพิจารณาทั้งโหมดพลาสมอนและโซลูชันโซลิตอน ในทางกลับกัน การเรโซแนนซ์โซลิพลาสมอนถือเป็นควาซิพาร์ติเคิลที่รวม โหมด พลาสมอนพื้นผิวกับโซลิตอนเชิงพื้นที่อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์แบบเรโซแนนซ์^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}เพื่อให้เกิดการแพร่กระจายโซลิตอนแบบหนึ่งมิติในท่อนำคลื่นพลาสมอนิกในขณะที่พลาสมอนพื้นผิวควรถูกจำกัดอยู่ที่ส่วนต่อประสาน การกระจายด้านข้างของซองสนามก็ไม่ควรเปลี่ยนแปลงเช่นกัน

ท่อ นำคลื่นที่ใช้ กราฟีนเป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสมสำหรับการรองรับพลาสมอน-โซลิตอนแบบไฮบริด เนื่องจากมีพื้นที่ประสิทธิผลขนาดใหญ่และความเป็นไม่เชิงเส้นสูง^{[ 30 ]}ตัวอย่างเช่น การแพร่กระจายของคลื่นเดี่ยวในโครงสร้างเฮเทโรกราฟีน-ไดอิเล็กทริกอาจปรากฏในรูปของโซลิตอนลำดับสูงหรือโซลิตอนแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งเป็นผลมาจากการแข่งขันระหว่างการเลี้ยวเบนและความเป็นไม่เชิงเส้น^{[ 31 ] [ 32 ]}

• พลาสมอนิกส์แบบแอคทีฟ
• พลาสมอนิกส์แบบตอบสนอง
• ชิปคอมพิวเตอร์แบบพลาสโมนิกกำลังก้าวใกล้เข้ามา