I metalli sono mezzi plasmonici canonici a lunghezze d'onda infrarosse e ottiche, che consentono di guidare e manipolare la luce su scala nanometrica. I metalli sono eccellenti nel trasferire calore ed elettricità, ma spesso non sono considerati un mezzo per condurre la luce.
Un nuovo studio di Columbia University riferisce di un metallo che può condurre la luce attraverso di esso.
Gli scienziati hanno studiato le proprietà ottiche di un materiale semimetallico noto come ZrSiSe. Nel 2020, hanno scoperto che ZrSiSe condivide somiglianze elettroniche con grafene. Correlazioni elettroniche migliorate, non comuni per i semimetalli Dirac, sono presenti in ZrSiSe.
A differenza del grafene, un singolo strato di carbonio sottile come un atomo, ZrSiSe è un cristallo metallico tridimensionale. È costituito da strati che si comportano diversamente nelle direzioni nel piano e fuori piano. Questa proprietà è nota come anisotropia.
Yinming Shao, ora postdoc alla Columbia, ha detto: “È una specie di sandwich: uno strato si comporta come un metallo mentre lo strato successivo si comporta come un isolante. Quando ciò accade, la luce inizia a interagire in modo insolito con il metallo a determinate frequenze. Invece di rimbalzare, può viaggiare all’interno del materiale seguendo uno schema a zigzag, che chiamiamo propagazione iperbolica”.
In questo studio, gli scienziati hanno utilizzato campioni ZrSiSe di vari spessori per testimoniare tali movimenti a zigzag della luce o le cosiddette modalità di guida d’onda iperbolica. Queste guide d'onda, che sono plasmoni, vengono prodotte quando i fotoni luminosi si combinano con le oscillazioni degli elettroni per formarsi quasiparticelle ibride che può dirigere la luce attraverso un materiale.
Gli scienziati hanno notato, “È la gamma unica di livelli di energia degli elettroni, chiamata struttura a bande elettroniche, di ZrSiSe che ha permesso al team di osservarli in questo materiale”.
I plasmoni possono “ingrandire” le caratteristiche di un campione, consentendo agli scienziati di vedere oltre il limite di diffrazione dei microscopi ottici, che altrimenti non sarebbero in grado di distinguere dettagli più piccoli della lunghezza d’onda della luce che utilizzano.
Shao disse, "Utilizzando plasmoni iperbolici, potremmo risolvere caratteristiche inferiori a 100 nanometri utilizzando luce infrarossa che è centinaia di volte lunga."
“ZrSiSe può essere sfogliato a diversi spessori, rendendolo un’opzione interessante per la ricerca sulla nanoottica che privilegia i materiali ultrasottili. Ma probabilmente non è l'unico materiale ad essere prezioso: da qui, il gruppo vuole esplorarne altri che condividono somiglianze con ZrSiSe ma potrebbero avere proprietà di guida d'onda ancora più favorevoli. Questo potrebbe aiutarci sviluppare chip ottici più efficienti e migliori approcci nano-ottici per esplorare questioni fondamentali materiali quantistici. "
Riferimento della Gazzetta:
- Yinming Shao et al. I plasmoni infrarossi si propagano attraverso un metallo nodale iperbolico. Anticipi Scienza (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
