Высокочастотные поляритонные волны на границе металл–вакуум - Смирнов, С.Н.; Нацик, В.Д.; Нацик, Л.Д. (Физика низких температур, 2005)
Изучены некоторые новые аспекты задачи о линейных электромагнитно-плазменных колебаниях
на плоской границе раздела металл–вакуум. Анализ выполнен на основе уравнений
Максвелла для электрического и магнитного полей, дополненных уравнением гидродинамики
для электронной плазмы металла. Эта система уравнений допускает существование ранее не
обсуждавшихся специфических собственных длинноволновых неоднородных колебательных
состояний поляритонного типа (E-волн) с частотами ω порядка плазменной частоты ωp электронов
проводимости, в которых колебания магнитного поля поляризованы в плоскости границы
раздела и перпендикулярны направлению их распространения вдоль границы. Такие волны
являются результатом гибридизации на границе металл–вакуум продольных волн электронной
плотности (плазмонов) металла с поперечными колебательными модами (фотонами) металла и
вакуума. В частности, показано, что возбуждение в объеме металла плазмонов сопровождается
появлением локализованной вблизи поверхности электромагнитной волны, состоящей из смеси
металлических и вакуумных фотонов. Данная неоднородная волна имеет закон дисперсии объемных
плазмонов и существует в характерной для них полосе частот ωp < ω < √2ωp, при этом
характерные значения параметра локализации имеют величину порядка c/ ωp (c — скорость
света в вакууме). Для стандартных металлов этот параметр имеет значения 10–50 нм, поэтому
роль таких колебательных состояний может оказаться существенной при описании электромагнитных
резонансов и радиационных явлений в металлических наноструктурах. Вивчено деякі нові аспекти задачі про лінійні електромагнітно-плазмові коливання на плоск
ій границі розділу метал–вакуум. Аналіз виконано на основі рівнянь Максвелла для електричного
і магнітного полів, доповнених рівнянням гідродинаміки для електронної плазми металу.
Ця система рівнянь допускає існування раніше не обміркованих специфічних власних
довгохвильових неоднорідних коливальних станів поляритонного типу (E-хвиль) з частотами ω порядку плазмової частоти ωp електронів провідності, у яких коливання магнітного поля поляризован
і у площині границі розділу і перпендикулярні напрямку їхнього розповсюдження
вздовж границі. Такі хвилі є результатом гібридизації на границі метал–вакуум поздовжніх
хвиль електронної густини (плазмонів) металу з поперечними коливальними модами (фотонами)
металу і вакууму. Зокрема, показано, що збудження у об’ємі металу плазмонів супроводжу
ється появою локалізованої поблизу поверхні електромагнітної хвилі, що складає із суміші
металічних і вакуумних фотонів. Ця неоднорідна хвиля має закон дисперсії об’ємних плазмон
ів і існує в характерній для них смузі частот ωp < ω < √2ωp, при цьому характерні значення
параметра локазізації мають величину порядку c/ωp (c — швидкість світла у вакуумі). Для
стандартних металів цей параметр має значення 10–50 нм, тому роль таких коливальних станів
може виявитись істатною при опису електромагнітних резонансів і радіаційних явищ у металевих
наноструктурах. Some new aspects of the problem on linear
electromagnetic plasma oscillations at the plane
metal–vacuum interface are studied. The analysis
is made by using Maxwell equations for electric
and magnetic fields supplemented with an equation
for hydrodynamics of electron plasma of the
metal. This set of equations allow the existence
of previously undiscussed specific long-wave
inhomogeneous oscillational eigenstates of polariton
type (E-waves) with frequencies of the order
of the plasma frequency ωp of conduction
electrons. For these states the magnetic oscillations
are polarized within the interface plane
and are perpendicular to the direction of their
propagation along the interface. Such waves are
due to the hybridization of longitudinal waves of
the electron density (plasmons) of the metal and
transverse oscillational modes (photons) of the
metal and vacuum at the metal–vacuum interface.
It is shown that the plasmon excitation in
the metal bulk is followed by the initiation of an
electromagnetic wave which is localized near the
surface and consists of the mixture of metal and
vacuum photons. Such an inhomogeneous wave
has the dispersion law for bulk plasmons and occurs
within their typical frequency band ωp < ω < √2ωp, the typical values of the localization
parameter being of the order of c/ωp (c is
the velocity of light in vacuum). For standard
metals this parameter is 10–50 nm. So, such
oscillational states may be quite essential in the