Metallit ovat kanonisia plasmonisia väliaineita infrapuna- ja optisilla aallonpituuksilla, mikä mahdollistaa valon ohjaamisen ja manipuloinnin nanomittakaavassa. Metallit siirtävät erinomaisesti lämpöä ja sähköä, mutta niitä ei usein pidetä valonjohtajina.
Uusi tutkimus Columbia University kertoo metallista, joka voi johtaa valoa sen läpi.
Tiedemiehet ovat tutkineet puolimetallimateriaalin, joka tunnetaan nimellä ZrSiSe, optisia ominaisuuksia. Vuonna 2020 he havaitsivat, että ZrSiSe jakaa elektronisia yhtäläisyyksiä grafeeni. Tehostettuja elektronisia korrelaatioita, jotka ovat harvinaisia Diracin puolimetalleille, on ZrSiSe:ssä.
Toisin kuin grafeeni, yksi atomiohut hiilikerros, ZrSiSe on kolmiulotteinen metallikide. Se on tehty kerroksista, jotka käyttäytyvät eri tavalla tason sisällä ja tason ulkopuolella. Tämä ominaisuus tunnetaan nimellä anisotropia.
Yinming Shao, nyt Columbian postdoc, sanoi: ”Se on ikään kuin voileipä: yksi kerros toimii kuin metalli, kun taas seuraava kerros toimii kuin eriste. Kun näin tapahtuu, valo alkaa olla epätavallisesti vuorovaikutuksessa metallin kanssa tietyillä taajuuksilla. Sen sijaan, että se pomppaa pois, se voi kulkea materiaalin sisällä siksak-kuviolla, jota kutsumme hyperboliseksi etenemiseksi."
Tässä tutkimuksessa tutkijat käyttivät eripaksuisia ZrSiSe-näytteitä todistamaan tällaisia valon siksak-liikkeitä tai niin kutsuttuja hyperbolisia aaltoputkimuotoja. Nämä aaltoputket, jotka ovat plasmoneja, syntyvät, kun valofotonit yhdistyvät elektronivärähtelyjen kanssa muodostaen hybridi kvasihiukkaset jotka voivat ohjata valoa materiaalin läpi.
Tiedemiehet huomauttivat, "ZrSiSe:n ainutlaatuinen elektronienergiatasojen alue, jota kutsutaan elektronikaistarakenteeksi, antoi ryhmälle mahdollisuuden tarkkailla niitä tässä materiaalissa."
Plasmonit voivat "suurentaa" näytteen piirteitä, jolloin tutkijat voivat nähdä optisten mikroskooppien diffraktiorajan, jotka eivät muuten pysty erottamaan käyttämänsä valon aallonpituutta pienempiä yksityiskohtia.
Shao sanoi, "Käyttämällä hyperbolisia plasmoneja pystyisimme ratkaisemaan alle 100 nanometrin ominaisuuksia käyttämällä infrapunavaloa, joka on satoja kertoja pitkä."
”ZrSiSe voidaan kuoria eri paksuisiksi, joten se on mielenkiintoinen vaihtoehto ultraohuita materiaaleja suosivaan nanooptiikkatutkimukseen. Mutta se ei todennäköisesti ole ainoa arvokas materiaali - täältä käsin ryhmä haluaa tutkia muita, joilla on yhtäläisyyksiä ZrSiSe:n kanssa, mutta joilla saattaa olla vieläkin edullisemmat aaltojohtoominaisuudet. Se voisi auttaa meitä kehittää tehokkaampia optisia siruja ja parempia nanooptisia lähestymistapoja tutkiakseen peruskysymyksiä kvanttimateriaalit"
Lehden viite:
- Yinming Shao et ai. Infrapunaplasmonit leviävät hyperbolisen solmumetallin läpi. Tiede ennakot (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
