Les métaux sont des supports plasmoniques canoniques aux longueurs d'onde infrarouges et optiques, permettant de guider et de manipuler la lumière à l'échelle nanométrique. Les métaux sont excellents pour transférer la chaleur et l’électricité, mais ils ne sont pas souvent considérés comme un moyen de conduire la lumière.
Une nouvelle étude de L'Université de Columbia rapporte un métal qui peut conduire la lumière à travers lui.
Les scientifiques ont étudié les propriétés optiques d'un matériau semi-métallique appelé ZrSiSe. En 2020, ils ont découvert que ZrSiSe partageait des similitudes électroniques avec graphène. Des corrélations électroniques améliorées, rares pour les semi-métaux de Dirac, sont présentes dans ZrSiSe.
Contrairement au graphène, une couche de carbone unique et fine, le ZrSiSe est un cristal métallique tridimensionnel. Il est constitué de couches qui se comportent différemment dans les directions dans le plan et hors du plan. Cette propriété est connue sous le nom d’anisotropie.
Yinming Shao, maintenant postdoctorant à Columbia, a déclaré : « C’est un peu comme un sandwich : une couche agit comme un métal tandis que la couche suivante agit comme un isolant. Lorsque cela se produit, la lumière commence à interagir de manière inhabituelle avec le métal à certaines fréquences. Au lieu de rebondir, il peut se déplacer à l’intérieur du matériau selon un motif en zigzag, que nous appelons propagation hyperbolique.
Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé des échantillons de ZrSiSe de différentes épaisseurs pour observer de tels mouvements de lumière en zigzag ou modes de guide d'ondes hyperboliques. Ces guides d'ondes, qui sont des plasmons, sont produits lorsque des photons lumineux se combinent avec des oscillations électroniques pour former quasiparticules hybrides qui peut diriger la lumière à travers un matériau.
Les scientifiques ont noté, "C'est la gamme unique de niveaux d'énergie électronique, appelée structure de bande électronique, du ZrSiSe qui a permis à l'équipe de les observer dans ce matériau."
Les plasmons peuvent « agrandir » les caractéristiques d’un échantillon, permettant aux scientifiques de voir au-delà de la limite de diffraction des microscopes optiques, qui autrement seraient incapables de distinguer des détails plus petits que la longueur d’onde de la lumière qu’ils utilisent.
Shao a affirmé Valérie Plante., "En utilisant des plasmons hyperboliques, nous pourrions résoudre des caractéristiques inférieures à 100 nanomètres en utilisant une lumière infrarouge des centaines de fois longue."
« Le ZrSiSe peut être pelé à différentes épaisseurs, ce qui en fait une option intéressante pour la recherche en nano-optique qui privilégie les matériaux ultra-fins. Mais ce n’est probablement pas le seul matériau à être précieux : à partir de là, le groupe souhaite en explorer d’autres qui partagent des similitudes avec le ZrSiSe mais pourraient avoir des propriétés de guidage d’ondes encore plus favorables. Cela pourrait nous aider développer des puces optiques plus efficaces et de meilleures approches nano-optiques pour explorer les questions fondamentales concernant matériaux quantiques. »
Journal de référence:
- Yinming Shao et al. Les plasmons infrarouges se propagent à travers un métal nodal hyperbolique. Science Advances (2022). EST CE QUE JE: 10.1126/sciadv.add6169
