מתכות הן מדיה פלסמונית קנונית באורכי גל אינפרא אדום ואופטיים, המאפשרות להנחות ולתפעל אור בקנה מידה ננו. מתכות מצוינות בהעברת חום וחשמל, אך הן אינן נחשבות לעתים קרובות כאמצעי להולכת אור.
מחקר חדש של קולומביה מדווח על מתכת שיכולה להוביל אור דרכה.
מדענים חקרו את התכונות האופטיות של חומר חצי מתכתי המכונה ZrSiSe. בשנת 2020, הם גילו ש-ZrSiSe חולק קווי דמיון אלקטרוניים עם גרפן. מתאמים אלקטרוניים משופרים, שאינם נפוצים עבור סמי מתכות של Dirac, קיימים ב-ZrSiSe.
בניגוד לגרפן, שכבת פחמן יחידה ודקה באטום, ZrSiSe הוא גביש מתכתי תלת מימדי. הוא עשוי משכבות שמתנהגות אחרת בכיוונים בתוך המישור ומחוץ למישור. תכונה זו ידועה בשם אניזוטרופיה.
יינמינג שאו, כיום פוסט דוקטורט בקולומביה, אמר, "זה בערך כמו כריך: שכבה אחת מתנהגת כמו מתכת ואילו השכבה הבאה מתנהגת כמו מבודדת. כאשר זה קורה, האור מתחיל לקיים אינטראקציה חריגה עם המתכת בתדרים מסוימים. במקום לקפוץ, הוא יכול לנוע בתוך החומר בתבנית זיגזג, שאנו מכנים התפשטות היפרבולית".
במחקר זה, מדענים השתמשו בדגימות ZrSiSe בעוביים שונים כדי לראות תנועות זיגזג כאלה של אור או מצבי מוליך גל היפרבולי. מוליכי גל אלה, שהם פלסמונים, נוצרים כאשר פוטוני אור מתאחדים עם תנודות אלקטרונים כדי ליצור קוואזי-חלקיקים היברידיים שעשוי לכוון אור דרך חומר.
מדענים ציינו, "הטווח הייחודי של רמות אנרגיית האלקטרונים, הנקרא מבנה פס אלקטרוני, של ZrSiSe הוא שאפשר לצוות לצפות בהם בחומר הזה."
פלסמונים יכולים "להגדיל" תכונות בדגימה, מה שמאפשר למדענים לראות מעבר לגבול העקיפה של מיקרוסקופים אופטיים, אשר אחרת אינם מסוגלים להבחין בפרטים קטנים מאורך הגל של האור שהם משתמשים בהם.
שאו אמר, "באמצעות פלסמונים היפרבוליים, נוכל לפתור תכונות של פחות מ-100 ננומטר באמצעות אור אינפרא אדום שאורכו מאות פעמים."
"ניתן לקלף את ZrSiSe לעוביים שונים, מה שהופך אותו לאופציה מעניינת עבור מחקר ננו-אופטיקה המעדיף חומרים דקים במיוחד. אבל, סביר להניח שזה לא החומר היחיד בעל ערך - מכאן, הקבוצה רוצה לחקור אחרים שחולקים קווי דמיון עם ZrSiSe, אך עשויים להיות בעלי תכונות הנחיית גלים חיוביות אפילו יותר. זה יכול לעזור לנו לפתח שבבים אופטיים יעילים יותר וגישות ננו-אופטיות טובות יותר לחקור שאלות בסיסיות בנושא חומרים קוונטיים".
עיון ביומן:
- Yinming Shao et al. פלסמונים אינפרא אדום מתפשטים דרך מתכת צומתית היפרבולית. התקדמות מדע (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
