البلازمونات

بلازمونات

Plasmons -

البلازمونات

إلياس أبو عسلي

البلازمون Plasmon هو كم quantum اهتزازات البلازما، وهو شبه جسيم quasiparticle ينتج من تكمية اهتزازات البلازما كالفوتون photon والفونون phononالناتجين من تكمية الضوء والاهتزازات الميكانيكية على التوالي (لكن الفوتون هو جسيم وليس شبه جسيم). وهكذا فإن البلازمونات تعبر عن الاهتزازات الجماعية لكثافة غاز الإلكترون الحر في معدن واهتزازاته عند التواترات (الترددات) الضوئية لدى سقوط الضوء عليه؛ أو عند تفاعل البلازما مع الحقل الكهرطيسي. ويمكن أن يقترن البلازمون في المادة مع الفوتون ليولد شبه جسيم آخر يسمى البولاريتون polariton، وبما أن البلازمونات هي تكمية للاهتزازات التقليدية للبلازما يمكن أن تستخلص جميع خواصها من معادلات ماكسويل التي تصف سلوك الحقل الكهرطيسي فيها.

يُمكن أن توصف البلازمونات في الصورة التقليدية كاهتزاز كثافة الإلكترونات الحرة في المعدن مع الأخذ في الحسبان أن الإيونات الموجبة ثابتة، فيمكن أن تتولد اهتزازات البلازما في مكعب من معدن عندما يخضع في البدء لتأثير حقل كهربائي موجَّه إلى اليمين، عندئذٍ ستتوجه الإلكترونات إلى اليسار وتظهر شحنات موجبة على اليمين مما يؤدي إلى نشوء حقل كهربائي داخلي يعاكس الحقل الخارجي بالاتجاه، وتستمر هذه الإلكترونات بالانتقال حتى تتوقف حين يُفني الحقلان بعضهما البعض داخل المعدن. وعند إزالة الحقل الكهربائي الخارجي ستتحرك الإلكترونات منجذبة نحو الشحنات الموجبة التي تعمل عمل قوة مرجعة لها كما في حالة ضغط نابض وتركه، بعدئذٍ ستهتز هذه الإلكترونات وتستمر في اهتزازها حتى تنفد طاقتها بسبب المقاومة أو التخامد، والبلازمونات هي تكمية لهذا النوع من الاهتزازات.

تؤدي البلازمونات دوراً مهماً في الخواص الضوئية للمعادن؛ إذ سينعكس الضوء الذي تواتره أخفض من تواتر البلازما لأن الإلكترونات في المعدن ستحجب الحقل الكهربائي للضوء. أما الضوء الذي تواتره أعلى من تواتر البلازما فإنه سينتشر في المعدن بسبب عدم استجابة الإلكترونات بسرعة كافية لتحجب الحقل. ويقع تواتر البلازما لمعظم المعادن في المجال فوق البنفسجي مما يجعلها عاكسة للضوء المرئي، ولكن يوجد في بعض المعادن- مثل النحاس والذهب- عصابات إلكترونية انتقالية في المجال المرئي للضوء تجعلها قادرة على امتصاص الطاقة المقابلة (الألوان) فتظهر متلونة وفقها. يتعين تواتر البلازما عموماً بكثافة الشحنات وبتوزعها على عصابات الطاقة في الجسم الصلب، واعتماداً على ذلك يتعين تآثر أنصاف النواقل مع الضوء وفق موقع تواتر بلازما الإلكترونات من الطيف، فقد تكون عاكسة للضوء فوق البنفسجي مثلاً أو منفذة له.

وهناك أيضاً بلازمونات سطحية محصورة عند السطوح، وقد تختلف عن البلازمونات الجسمية إما بسبب تغير كثافة الشحنات وإما بسبب تغير عصابات الطاقة، وهي التي تتفاعل بشدة مع الضوء (الفوتونات) مولدة البولاريتونات. تظهر هذه البلازمونات السطحية عند السطح الفاصل بين خلاء ومادة أو بين مواد ذات نفوذية كهربائية موجبة مع مواد ذات نفوذية سالبة (عادة معدن أو طبقة عازلة).

تؤدي البلازمونات أيضاً دوراً مهماً في مطيافية رامان Raman spectroscopy خلال شبكة grating المعدن لشرح شذوذات انعراجها.

ويستعمل الكيميائيون الحيويون التجاوب (الرنين) البلازموني السطحي لدراسة آليات ربط المستقبلات وحركياته (أي وضع ركيزة لربط الإنزيم). وقد استعملت حديثاً البلازمونات السطحية لضبط ألوان المواد، ويتم ذلك بالتحكم بشكل الجسيمات وحجمها، هذه الجسيمات هي التي تحدد أنواع البلازمونات السطحية التي ستقترن معها وتنتشر خلالها، وهذا ما يحكم تفاعل الضوء مع السطوح. وقد طُوِّرت هذه المفاعيل (الآثار) ليس فقط من أجل الضوء المرئي ولكن أيضاً لإشعاعات مكروية، وتقدمت الأبحاث في هذا المجال الانتقائي للطيف لأن سطوح المواد يمكن أن تنتج أطيافاً كأطياف نموذج جسمي سمكه بضعة سنتيمترات، إذ يتطلب إنتاج مفاعيل بلازمونات سطحية في المجال الضوئي المرئي سطوحاً أبعادها أصغر من 400 nm. ومع أن هذه العملية أكثر صعوبة ولكنها أصبحت ممكنة حديثاً.

يتأثر موضع تواتر امتصاص البلازمونات وكثافتها أو إصدارها بالامتصاص الجزيئي في كواشف الجزيئات، فعلى سبيل المثال تم تصنيع نموذج جهاز لكشف الجبنين casein في الحليب يعتمد على كشف التغيير في امتصاص طبقة من الذهب. ويمكن أن تستعمل البلازمونات السطحية لمعدن من جسيمات نانوية لكشف أنواع مختلفة من الجزيئات وتستعمل البلازمونات طرائق لإصدار المعلومات على رقاقات chips الحاسوب لأنها يمكن أن تنقل اهتزازات عالية التواتر مع تبديد ضعيف، تصل إلى 100 THz، على حين تُهدر في الأسلاك التقليدية كثيراً عندما تصل التواترات إلى عشرات GHz. ويمكن أن تكون البلازمونات مفيدة في التأسيس لإلكترونيات مشابهة للإلكترونيات التي قامت على الترانزستور وحركة الإلكترونات فيه، ولهذا ابتكر البلازمونستر plasmonster الذي يعتمد إمرار البلازمونات والتحكم فيها.

استعملت البلازمونات في الحفر الحجري lithography لكونها عالية الميز high resolution، وفي المطيافية بسبب قصر أطوالها الموجية. ولاقى كلا هذين التطبيقين نجاحاً في مختبرات البيئة.

أخيراً طُوِّرت تطبيقات عديدة للبلازمونات السطحية بسبب قدرتها المتميزة على حصر الضوء بأبعاد صغيرة جداً.

وتجدر الإشارة إلى أن البلازمونات السطحية حساسة جداً لخواص المواد التي تنتشر عليها، وقاد ذلك لاستعمالها في قياس سمك الطبقات الأحادية الجزيئة في الرقائق الغروية colloids وتعيين حجبها وقياس كمية البروتين فيها، فُطوِّرت أجهزة بالاعتماد على هذا المبدأ.

وقد تمكن الباحثون من تطوير الإصدار الضوئي لديود عضوي بفعالية عالية اعتماداً على خواص البلازمونات، وكذلك تحسين مردود الخلايا الشمسية وتخفيض كلفتها من خلال البنيات النانوية المعدنية باستعمال المفاعيل البلازمونية، وذلك لتعزيز امتصاص الضوء في نماذج مختلفة من الخلايا الشمسية المعتمدة على السليكون البلوري (c-si) وكذلك المعتمدة على المواد العضوية للوصول إلى أداء عالٍ لكلا النوعين.

التصنيف : الكيمياء والفيزياء

النوع : الكيمياء والفيزياء

المجلد: المجلد الخامس

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية