Τα μέταλλα είναι κανονικά πλασμονικά μέσα σε υπέρυθρα και οπτικά μήκη κύματος, επιτρέποντας σε κάποιον να καθοδηγεί και να χειρίζεται το φως σε νανοκλίμακα. Τα μέταλλα είναι εξαιρετικά στη μεταφορά θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά δεν θεωρούνται συχνά ως μέσο αγωγής του φωτός.
Μια νέα μελέτη από Πανεπιστήμιο Κολούμπια αναφέρει για ένα μέταλλο που μπορεί να μεταφέρει το φως μέσα από αυτό.
Οι επιστήμονες έχουν διερευνήσει τις οπτικές ιδιότητες ενός ημιμεταλλικού υλικού που είναι γνωστό ως ZrSiSe. Το 2020, διαπίστωσαν ότι το ZrSiSe μοιράζεται ηλεκτρονικές ομοιότητες με graφένιο. Ενισχυμένες ηλεκτρονικές συσχετίσεις, ασυνήθιστες για τα ημιμέταλλα Dirac, υπάρχουν στο ZrSiSe.
Σε αντίθεση με το γραφένιο, ένα ενιαίο στρώμα άνθρακα με λεπτό άτομο, το ZrSiSe είναι ένας τρισδιάστατος μεταλλικός κρύσταλλος. Είναι κατασκευασμένο από στρώματα που συμπεριφέρονται διαφορετικά στις κατευθύνσεις εντός και εκτός επιπέδου. Αυτή η ιδιότητα είναι γνωστή ως ανισοτροπία.
Ο Γινμίν Σάο, τώρα μεταδιδάκτορας στην Κολούμπια, είπε: «Είναι κάτι σαν σάντουιτς: το ένα στρώμα λειτουργεί σαν μέταλλο ενώ το επόμενο σαν μονωτικό. Όταν συμβεί αυτό, το φως αρχίζει να αλληλεπιδρά ασυνήθιστα με το μέταλλο σε ορισμένες συχνότητες. Αντί να αναπηδήσει, μπορεί να ταξιδέψει μέσα στο υλικό σε ένα μοτίβο ζιγκ-ζαγκ, το οποίο ονομάζουμε υπερβολική διάδοση».
Σε αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν δείγματα ZrSiSe διαφόρων πάχους για να δουν τέτοιες τεθλασμένες κινήσεις φωτός ή τους λεγόμενους τρόπους λειτουργίας υπερβολικού κυματοδηγού. Αυτοί οι κυματοδηγοί, που είναι πλασμόνια, παράγονται όταν φωτόνια φωτόνια συνδυάζονται με ταλαντώσεις ηλεκτρονίων για να σχηματίσουν υβριδικά οιονεί σωματίδια που μπορεί να κατευθύνει το φως μέσω ενός υλικού.
Οι επιστήμονες σημείωσαν, «Είναι το μοναδικό εύρος επιπέδων ενέργειας ηλεκτρονίων, που ονομάζεται δομή ηλεκτρονικής ζώνης, του ZrSiSe που επέτρεψε στην ομάδα να τα παρατηρήσει σε αυτό το υλικό».
Τα πλασμόνια μπορούν να «μεγεθύνουν» χαρακτηριστικά σε ένα δείγμα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να δουν πέρα από το όριο περίθλασης των οπτικών μικροσκοπίων, τα οποία διαφορετικά δεν μπορούν να διακρίνουν λεπτομέρειες μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιούν.
Shao είπε, «Χρησιμοποιώντας υπερβολικά πλασμόνια, θα μπορούσαμε να επιλύσουμε χαρακτηριστικά μικρότερα από 100 νανόμετρα χρησιμοποιώντας υπέρυθρο φως εκατοντάδων φορές μήκους».
«Το ZrSiSe μπορεί να ξεφλουδιστεί σε διαφορετικά πάχη, καθιστώντας το μια ενδιαφέρουσα επιλογή για έρευνα νανοοπτικής που ευνοεί τα εξαιρετικά λεπτά υλικά. Όμως, πιθανότατα δεν είναι το μόνο υλικό που είναι πολύτιμο - από εδώ, η ομάδα θέλει να εξερευνήσει άλλα που μοιράζονται ομοιότητες με το ZrSiSe, αλλά μπορεί να έχουν ακόμη πιο ευνοϊκές ιδιότητες καθοδήγησης κυμάτων. Αυτό θα μπορούσε να μας βοηθήσει ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών οπτικών τσιπ και καλύτερων νανοοπτικών προσεγγίσεων για τη διερεύνηση θεμελιωδών ερωτημάτων κβαντικά υλικά. "
Αναφορά στο περιοδικό:
- Οι Yinming Shao et al. Τα υπέρυθρα πλασμόνια διαδίδονται μέσω ενός υπερβολικού κόμβου μετάλλου. Προκαταβολές Επιστήμη (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
