表面電漿子(Plasmon)先行者 Ritchie在做觸控銀幕

R. H. Ritchie, Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films, Phys. Rev. 106, 874–881 (1957)[cited > 1928 times]

Health Physics Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee

 
1957年表面電漿子(surface plasmon)最早前輩Rufus H. Ritchie在美國田納西州橡樹嶺國家實驗室健康物理部門工作. 文章發表在物理評論Phys. Rev. 106 (1957) 874. 篇名是為
Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films

 

文/陳育霖
 
表面電漿子共振(Surface Plasmon Resonance)儼然是奈米光電子學(Nanophotonics)當中重要的領域。R. H. Ritchie在美國橡樹嶺國家實驗
(ORNL, Oak Ridge National Laboratory)任職時候，同時一邊攻讀田納西大學物理系博士班，1957年在物理評論(Physical Review)上發表這篇論文，成為電漿子(plasmon)先行者，論文被引用超過1928次。

R. H. Ritchie博士, 美國肯塔基大學電機工程學士(University of Kentucky)、物理學碩士，英國劍橋大學(University of Cambridge)文學士(B.A.)，美國田納西大學(University of Tennessee)物理學博士。主要專長為輻射物理(radiation physics)，輻射劑量學(radiation dosimetry)，表面物理(surface physics)，凝態物理(condensed matter physics)。很早發現表面電漿子(surface plasmon)。目前與G. Samuel Hurst博士同為美國田納西州一家名為TopoTec, Inc.科技公司的主管。其中G. Samuel Hurst是R. H. Ritchie在美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL, Oak Ridge National Laboratory)的同僚，同時也是觸控銀幕技術(touchscreen technology)的發明者，其產品為Elo。

    在1985年1月21日一篇“This week's citation classic”, R. H. Ritchie於1984年7月26日接受訪問, 他說這個想法是他在Oak Ridge National Laboratory工作, 同時是University of Tennessee物理系的在職研究生, 與他的同事R. D. Birkhoff及J Neufeld一起進行分析電子能量損失數據(electron loss energy data)[Blackstock 1955]。並且學習能量損失的介電質理論[Neufeld 1955]。

    Ritchie好奇於當一個快速電子(swift electron)穿過薄金屬箔的能量損失分布，並且運用侷域介電質理論(local dielectric theory)與布洛赫流體力學模型(hydrodynamic model of Bloch)[Bloch 1933]的理論頻譜來研究金屬的響應結果。

    接著Birkhoff與Ritchie同時投稿了馬里蘭大學(University of Maryland)的一個會議，Ritchie正好出外洽公請Birkhoff代為發表。論文發表之後, 一位有名望的英國物理學家(作者：就是Dennis Gabor, 之後以Holography獲頒1971年諾貝爾獎), 在聽眾席中高分貝批評Ritchie的研究。他也研究相同主題, 但是並未發現表面電漿子(SP, surface plasmon)。

    Ritchie公出回到ORNL之後, 與同樣與會的David Pines討論, Pines鼓勵他去投稿期刊。Ritchie仔細研讀了當時任職Imperial College London英國物理學家D. Gabor的論文發現，在束縛電漿中沒發現表面模態(surface mode)是因為Gabor假設了電場的模態在表面附近應該要消失。事實上Gabor只討論了束縛態介質(bounded medium)體電漿子模態(volume plasmon modes)。

    儘管Ritchie沒有明確證據能夠說明，表面電漿子(SPs, surface plasmons)能損(losses to SPs)在電子對金屬箔膜造成的特徵能量損失當中被觀察到。因為沒有任何期刊報導相關的實驗結果。但是他知道科學家或研究者透過設計精巧的實驗就能產生表面電漿子。所以他利用手邊的計算模型，儘可能清楚完整地描述這些模態的能量損失特徵，並且把論文投到物理評論(Physical Review)[Ritchie 1957]。(就是本文主要介紹到2013年底為止總共被引用1928次的這篇名為Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films的論文)

    約莫三年後, University of Western Australia的Cedric J. Powell與John B. Swan經過一連串的實驗 [Powell 1959, Powell 1960], 利用反射幾何架構中的電子, 證實表面電漿子能量損失(SP loss)的存在。

    Ritchie在1957年的這篇PR之所以被高度引用, 主要是因為1960年到之後表面科學的迅速發展。表面電漿子(SP)是電子能量損失實驗(electron energy loss experiment)、低能電子繞射(low energy electron diffraction)、歐傑電子光譜(Auger electron spectroscopy)、固態物質光學響應(optical respomse of solids)、光電子能譜(photoemission work)及其它活躍的領域。同時表面電漿子(SP)被證實與作用在金屬以外電荷的鏡像力(image force)密切相關。此外，表面電漿子(SP)還促進了束縛態電子氣的多體理論(many-body theory)的發展 (比方說像是Wikborg與Inglesfield 1977年這篇刊登在瑞典皇家科學院Physica Scripta期刊的論文[Wikborg 1977])。1970年代還有幾篇綜述論文(review)[Ritchie 1973, Raether 1977]。

    Ritchie感到非常幸運能夠在ORNL的跨領域部門工作，那裡提供了源源不絕且強有力的物理背景支援，環境氣氛極佳。他還在This week's citation classic的專訪中公開感謝當時後的部門主管Karl Ziegler Morgan以及同僚Birkhoff、G. S. Hurst、Neufeld與其他人們。

References

1. A. W. Blackstock, R. H. Ritchie, R. D. Birkhoff, Mean free path for discrete electron energy losses in metallic foils, Phys. Rev., 100, 1078–1083 (1955)

2. J. Neufeld and R. H. Ritchie, Passage of Charged Particles through Plasma, Phys. Rev., 98, 1632–1642 (1955)

3. F. Bloch, Bremsvermögen von Atomen mit mehreren Elektronen, Zeitschrift für Physik, 81, 363-376 (1933) 停止原子的力量與幾個電子

4. D. Gabor, Collective oscillations and characteristic electron-energy losses, Philosophical Magazine 1, 1-18 (1956) Gabor當時任教於Imperial College London

5. R. H. Ritchie, Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films, Phys. Rev. 106, 874–881 (1957)

6. Cedric J. Powell and John B. Swan, Origin of the Characteristic Electron Energy Losses in Aluminum, Phys. Rev., 115, 869–875 (1959)

7. Cedric J. Powell and John B. Swan, Effect of Oxidation on the Characteristic Loss Spectra of Aluminum and Magnesium, Phys. Rev., 118, 640–643 (1960)

8. E. Wikborg and J. E. Inglesfield, Collective Modes and Ground State Energy of the Semi-infinite Electron Gas, Phys. Scr., 15, 37 (1977)

9. R. H. Ritchie, Surface plasmons in solids, Surface Sci., 34, 1–19 (1973)

10. H. Raether, Surface Plasma Oscillations and Their Applications, in: Physics of Thin Films, Vol. 9, Academic Press, New York, 145-261 (1977)

11. TopoTec, Inc. http://topo-tec.com/index.html