Metaller er kanoniske plasmoniske medier ved infrarøde og optiske bølgelængder, hvilket gør det muligt at styre og manipulere lys på nanoskala. Metaller er fremragende til at overføre varme og elektricitet, men de betragtes ikke ofte som et middel til at lede lys.
En ny undersøgelse af Columbia University rapporter om et metal, der kan lede lys igennem det.
Forskere har undersøgt de optiske egenskaber af et semimetallisk materiale kendt som ZrSiSe. I 2020 fandt de ud af, at ZrSiSe deler elektroniske ligheder med graphene. Forbedrede elektroniske korrelationer, ualmindeligt for Dirac-halvmetaller, er til stede i ZrSiSe.
I modsætning til grafen, et enkelt, atom-tyndt kulstoflag, er ZrSiSe en tredimensionel metallisk krystal. Den er lavet af lag, der opfører sig forskelligt i in-planet og out-of-planet retninger. Denne egenskab er kendt som anisotropi.
Yinming Shao, nu postdoc ved Columbia, sagde: "Det er lidt ligesom en sandwich: Et lag fungerer som et metal, mens det næste lag fungerer som en isolator. Når det sker, begynder lyset at interagere usædvanligt med metallet ved bestemte frekvenser. I stedet for at hoppe af, kan den bevæge sig inde i materialet i et zigzag-mønster, som vi kalder hyperbolsk udbredelse."
I denne undersøgelse brugte videnskabsmænd ZrSiSe-prøver af forskellige tykkelser til at se sådanne zigzag-bevægelser af lys eller såkaldte hyperbolske bølgeledertilstande. Disse bølgeledere, som er plasmoner, produceres, når lysfotoner kombineres med elektronoscillationer for at danne hybride kvasipartikler som kan lede lys gennem et materiale.
Forskere bemærkede, "Det er den unikke række af elektronenerginiveauer, kaldet elektronisk båndstruktur, af ZrSiSe, der gjorde det muligt for holdet at observere dem i dette materiale."
Plasmoner kan "forstørre" funktioner i en prøve, hvilket gør det muligt for forskere at se forbi diffraktionsgrænsen for optiske mikroskoper, som ellers ikke er i stand til at skelne detaljer, der er mindre end bølgelængden af lys, de bruger.
Shao sagde, "Ved at bruge hyperbolske plasmoner kunne vi løse funktioner på mindre end 100 nanometer ved hjælp af infrarødt lys, der er hundredvis af gange langt."
"ZrSiSe kan skrælles til forskellige tykkelser, hvilket gør det til en interessant mulighed for forskning i nanooptik, der favoriserer ultratynde materialer. Men det er sandsynligvis ikke det eneste materiale, der er værdifuldt - herfra ønsker gruppen at udforske andre, der deler ligheder med ZrSiSe, men som måske har endnu mere gunstige bølgeledende egenskaber. Det kunne hjælpe os udvikle mere effektive optiske chips og bedre nano-optiske tilgange til at udforske grundlæggende spørgsmål om kvantematerialer".
Journal Reference:
- Yinming Shao et al. Infrarøde plasmoner forplanter sig gennem et hyperbolsk nodalmetal. Science Forskud (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
