18
2021
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05
等离子体和表面等离子体的关系
作者：
一般提起等离子体或者plasma，大家想到的是电离的空气或者太阳上的高温物质。但是，你如果仔细考虑一下金属的自由电子模型，那么在正离子背景中运动的自由电子“气”也是一种“等离子体”。
一般提起等离子体或者plasma，大家想到的是电离的空气或者太阳上的高温物质。但是，你如果仔细考虑一下金属的自由电子模型，那么在正离子背景中运动的自由电子“气”也是一种“等离子体”。
金属中正离子晶格的集体振荡可以量子化为声子的产生、传播与湮灭;同样，金属中自由电子气的集体振荡也可以看做是一种集体激发，也可以量子化为某种准粒子的产生、传播与湮灭。这个准粒子就是plasmon，或者说“等离激元”。是“激元”不是“基元”。“激元”表示“集体激发的基元”或是说“激发元”;“等离基元”则暗示plasmon是组成等离子体的最基本单位——但实际上完全不是如此。组成金属中等离子体的基本单位明明是自由电子和金属正离子。金属中的电子集体震荡有两种：一种是整个金属的电子都在外电场作用下同步摇摆，一种是只在金属表面集体摇摆。显然，由于金属对外界电场的高效屏蔽，第一种集体摇摆不可能在宏观金属块材中实现(所以也不容易跟可控核聚变研究的那种高温体相等离子体相混淆)，而只有在纳米颗粒中才能存在。第二种则常见的多，我们常说的“金属光泽”也与此有关。既然这第二种摇摆在表面，当然叫做“表面等离激元”。
另外，这个等离激元不是固定在一处而是会传播的，而且传播所到之处，由于只有电子振动而金属正离子不动，必然造成局部不再电中性，而是“极化”了，为了强调这种极化的局域性和准粒子特性，最后就变成了“表面等离激元极子”(SPP)这么一个拗口的名字。稍微意译一点的话，可以称之为“表面等离极化激元”，表示这个激元的特点是“极化的”。
综上，“表面等离子体”也可以算是“等离子体”的一种。但是这个“等离子体”并不是一般人所想象的那种与“固、液、气”并列的高温等离子体。
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