Metalle sind kanonische plasmonische Medien im Infrarot- und optischen Wellenlängenbereich, die es ermöglichen, Licht im Nanobereich zu leiten und zu manipulieren. Metalle eignen sich hervorragend zur Übertragung von Wärme und Elektrizität, werden jedoch nicht oft als Mittel zur Lichtleitung angesehen.
Eine neue Studie von Columbia University berichtet über ein Metall, das Licht hindurchleiten kann.
Wissenschaftler haben die optischen Eigenschaften eines Halbmetallmaterials namens ZrSiSe untersucht. Im Jahr 2020 stellten sie fest, dass ZrSiSe elektronische Ähnlichkeiten mit aufweist Graphen. In ZrSiSe sind verstärkte elektronische Korrelationen vorhanden, die für Dirac-Halbmetalle ungewöhnlich sind.
Im Gegensatz zu Graphen, einer einzelnen, atomar dünnen Kohlenstoffschicht, ist ZrSiSe ein dreidimensionaler Metallkristall. Es besteht aus Schichten, die sich in Richtung innerhalb und außerhalb der Ebene unterschiedlich verhalten. Diese Eigenschaft wird als Anisotropie bezeichnet.
Yinming Shao, jetzt Postdoktorandin an der Columbia, sagte: „Es ist so etwas wie ein Sandwich: Eine Schicht wirkt wie ein Metall, während die nächste Schicht wie ein Isolator wirkt. Wenn das passiert, beginnt das Licht bei bestimmten Frequenzen ungewöhnlich mit dem Metall zu interagieren. Anstatt abzuprallen, kann es sich in einem Zickzackmuster im Material bewegen, was wir hyperbolische Ausbreitung nennen.“
In dieser Studie verwendeten Wissenschaftler ZrSiSe-Proben unterschiedlicher Dicke, um solche Zickzackbewegungen des Lichts oder sogenannte hyperbolische Wellenleitermoden zu beobachten. Diese Wellenleiter, bei denen es sich um Plasmonen handelt, entstehen, wenn sich Lichtphotonen mit Elektronenschwingungen verbinden, um sie zu bilden hybride Quasiteilchen die Licht durch ein Material leiten kann.
Wissenschaftler stellten fest, „Es ist der einzigartige Bereich der Elektronenenergieniveaus, die sogenannte elektronische Bandstruktur, von ZrSiSe, der es dem Team ermöglichte, sie in diesem Material zu beobachten.“
Plasmonen können Merkmale in einer Probe „vergrößern“, wodurch Wissenschaftler über die Beugungsgrenze optischer Mikroskope hinaussehen können, die sonst nicht in der Lage wären, Details zu erkennen, die kleiner als die von ihnen verwendete Lichtwellenlänge sind.
Shao sagte, „Mithilfe hyperbolischer Plasmonen könnten wir Strukturen mit einer Größe von weniger als 100 Nanometern mit hundertfach langem Infrarotlicht auflösen.“
„ZrSiSe kann auf unterschiedliche Dicken abgeschält werden, was es zu einer interessanten Option für die Nanooptikforschung macht, die ultradünne Materialien bevorzugt. Aber es ist wahrscheinlich nicht das einzige Material, das wertvoll ist – von hier aus möchte die Gruppe andere erforschen, die Ähnlichkeiten mit ZrSiSe aufweisen, aber möglicherweise noch günstigere Wellenleitungseigenschaften aufweisen. Das könnte uns helfen Entwickeln Sie effizientere optische Chips und bessere nanooptische Ansätze, um grundlegende Fragen zu untersuchen Quantenmaterialien"
Journal Referenz:
- Yinming Shaoet al. Infrarot-Plasmonen breiten sich durch ein hyperbolisches Knotenmetall aus. Wissenschaft Fortschritte (2022). zurück 10.1126/sciadv.add6169
