Написав в Scientific American в 2007 году, Гарри А. Атуотер из Калифорнийского технологического института предсказал, что технология, которую он назвал «плазмоникой», в конечном итоге может привести к множеству новейших разработок - от высокочувствительных биологических детекторов до плащей невидимости. Двенадцать лет спустя различные плазмонические технологии уже являются коммерческой реальностью, а другие переходят из лаборатории на рынок.
Эти технологии полагаются на управление взаимодействием электромагнитного поля со свободными электронами в металле (как правило, золотом или серебром), которые учитывают проводимость и оптические свойства металла. Свободные электроны на поверхности металла колеблются при попадании света, образуя так называемый поверхностный плазмон. Когда кусок металла большой, свободные электроны отражают свет, который поражает их, придавая материалу его блеск. Но когда металл измеряет всего несколько нанометров, его свободные электроны ограничены в очень маленьком пространстве, ограничивая частоту, с которой они могут вибрировать. Конкретная частота колебаний зависит от размера металлической наночастицы. В явлении, называемом резонансом, плазмон поглощает только долю входящего света, который колеблется на той же частоте, что и сам плазмон (отражающий остальную часть света). Этот поверхностный плазмонный резонанс можно использовать для создания наноантеннанов, эффективных солнечных элементов и других полезных устройств.
Одним из наиболее изученных применений плазмонных материалов являются датчики для обнаружения химических и биологических агентов. В одном подходе исследователи наносят плазмонный наноматериал с веществом, которое связывается с интересующей молекулой - например, бактериальным токсином. В отсутствие токсина свет, светящийся на материале, восстанавливается под определенным углом. Но если токсин присутствует, он будет изменять частоту поверхностного плазмона и, следовательно, угол отраженного света. Этот эффект можно измерить с большой точностью, позволяя обнаруживать и измерять даже следы мельчайшего количества токсина. Несколько стартапов разрабатывают продукты на основе этого и связанных с ними подходов - среди них внутренний датчик для батарей, который позволяет контролировать их активность, чтобы помочь увеличить плотность мощности и скорость заряда, и устройство, которое может отличить вирус от бактериальных инфекций. Plasmonics также работает в магнитной памяти на дисках. Например, магнитные записывающие устройства с тепловой энергией увеличивают объем памяти, мгновенно нагревая крошечные пятна на диске во время записи.
В области медицины в клинических испытаниях для лечения рака проводятся испытания светоактивных наночастиц. В кровь вводят наночастицы, после чего они концентрируются внутри опухоли. Тогда свет той же частоты, что и поверхностный плазмон, светится в массу, заставляя частицы нагреваться резонансом. Тепло избирательно убивает раковые клетки в опухоли, не повреждая окружающие здоровые ткани.
По мере того, как появятся новые компании, чтобы воспользоваться преимуществами плазмоники, им необходимо будет обеспечить, чтобы их продукты были разумно оценены, надежны и просты в изготовлении, и интегрированы с другими компонентами. Несмотря на эти проблемы, перспективы выглядят яркими. Появление метаматериалов - синтетических наноразмерных материалов, в которых плазмоны генерируют необычные оптические эффекты, позволило исследователям плазмоники использовать материалы, отличные от золота и серебра, такие как графен и полупроводники. Анализ из Future Market Insights прогнозирует, что стоимость североамериканского рынка приложений для плазмонных датчиков будет расти с почти 250 миллионов долларов в 2017 году до почти 470 миллионов долларов к 2027 году.