оптическая поверхностно-плазмонная микроскопия: физические принципы, возможности и области применения

Валянский С.И., Наими Е.К.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Москва, Россия, E-mail: e.naimi@mail.ru

В докладе приведены сведения об интенсивно развивающемся в последнее время методе исследования вещества с помощью поверхностных плазмон-поляритонных волн, в частности – методе оптической поверхностно-плазмонной микроскопии. Рассмотрены вопросы теории взаимодействия электромагнитных волн с веществом (нормальная и аномальная дисперсия), условия возбуждения и распространения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на границе раздела металл-диэлектрик, дисперсионное соотношение для ПЭВ, различные типы ПЭВ. Описаны существующие методы получения и регистрации ПЭВ. Приведены многочисленные примеры применения поверхностного плазмонного резонанса (ППР), в том числе: определение оптических характеристик металлов с помощью ПЭВ, оптический микроскоп на поверхностных плазмонах, ППР-спектроскопия биомолекул, сенсорные устройства и другие. Дается представление о новом классе материалов – метаматериалах и возможностях их применения (суперлинза, фотонные кристаллы). Очерчены направления развития новых отраслей науки и техники, таких как – нанофотоника и плазмоника.

Современная оптика, сильно изменившаяся после появления лазеров и голографии, в последнее десятилетие пополнилась новым перспективным разделом – оптикой поверхностных электромагнитных волн. ПЭВ – это особый вид макроскопических электромагнитных волн, распространяющихся вдоль границы раздела сред. Поле таких волн прижато к поверхности и локализуется в основном в слое, размеры которого с каждой стороны от границы, как правило, порядка длины волны. Условия распространения ПЭВ, в отличие от объемных электромагнитных волн, очень чувствительны к свойствам поверхности, вдоль которой они распространяются.

Взаимодействие электромагнитных волн с возбуждениями среды (оптическими фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и т. д.) становится особенно сильным, когда их частоты ω и волновые векторы совпадают (резонанс). В этой области образуются связанные волны – поляритоны, которые обладают характерным законом дисперсии . Условия существования поверхностных поляритонов требуют, чтобы диэлектрические проницаемости граничащих сред были разного знака, т.е. одна из них должна быть отрицательной. В статике это осуществить нельзя, в случае же переменного электромагнитного поля можно реализовать ситуацию, при которой наведенная в среде поляризация имеет направление противоположное относительно возбуждающего ее поля, и таким образом получить отрицательную диэлектрическую проницаемость.

Отдельный интерес представляют ПЭВ в металлах, называемые поверхностными плазмон-поляритонными (ППП) волнами. Поверхностные плазмоны играют большую роль в оптических свойствах металлов. Начиная с 70-х годов XX в. исследования ППП волн занимают все большее место в науке о конденсированных средах и стимулируются интересом, возникающим у специалистов по физике твердого тела, радиофизике и оптике (в последнее десятилетие появилась даже обособленная область оптики – плазмоника).

В 1988 г. немецкие ученые Б. Ротенхойслер и В. Кноль предложили и реализовали схему микроскопа на основе ППП волн. Простота конструкции и высокое разрешение сделали микроскоп на поверхностных плазмонах незаменимым для таких областей науки как физика, химия, медицина, биология и техника.

Исследование ПЭВ является неотъемлемой частью физики твердого тела. Это обусловлено уникальными свойствами ПЭВ. Благодаря особой структуре полей в ПЭВ и возможности синфазно перекачивать в нее энергию падающего когерентного света, можно достигать большого (чисто электродинамического по своей природе) усиления светового поля (≈ в 100 раз), действующего на поверхность.

В настоящее время большое внимание уделяется использованию ПЭВ в исследовании качества поверхностей полупроводников, металлических зеркал, предельно тонких молекулярных покрытий на металлах. ПЭВ используют для создания ближнепольных сканирующих оптических микроскопов, в качестве сверхчувствительных датчиков, исследуют их роль в прохождении света через малые отверстия в непрозрачных экранах диаметром в десятую долю длины волны. С помощью генерации ПЭВ можно формировать периодические структуры на металлической поверхности. Сегодня применение ПЭВ являются неотъемлемой частью оптических наночипов и светопередающих устройств, используемых в информационных технологиях нового поколения.

Широкое развитие в последние годы получили сенсоры на основе ПЭВ для регистрации различных загрязнителей. При контакте с биообъектами (ДНК, вирусы, антитела) в результате плазмонного резонанса более чем на порядок увеличивается интенсивность сигналов флуоресценции, т.е. значительно расширяются возможности обнаружения, идентификации и диагностики биологических объектов. На сегодняшний день существует уже множество подобных сенсоров.

В наноразмерных металлических системах из-за малого их размера требование совпадения скоростей распространения возбуждения и электромагнитной волны во внешней среде отпадает, так что локализованные поверхностные плазмоны связаны с излучением непосредственно. Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами.

Изучение ПЭВ превратилось в самостоятельный и устоявшийся раздел физики. Процесс экспансии ПЭВ в различные области физики и техники стал обычным. Сегодня ПЭВ – это динамически развивающаяся область знания, потенциал которой далеко не исчерпан.