Metalen zijn canonieke plasmonische media op infrarode en optische golflengten, waardoor je licht op nanoschaal kunt geleiden en manipuleren. Metalen zijn uitstekend in het overbrengen van warmte en elektriciteit, maar worden niet vaak beschouwd als een manier om licht te geleiden.
Een nieuwe studie van Columbia University berichten over een metaal dat er licht doorheen kan geleiden.
Wetenschappers hebben de optische eigenschappen onderzocht van een halfmetaalmateriaal dat bekend staat als ZrSiSe. In 2020 ontdekten ze dat ZrSiSe elektronische overeenkomsten deelt met grafeen. Verbeterde elektronische correlaties, ongebruikelijk voor Dirac-semimetalen, zijn aanwezig in ZrSiSe.
In tegenstelling tot grafeen, een enkele, atoomdunne koolstoflaag, is ZrSiSe een driedimensionaal metaalkristal. Het is gemaakt van lagen die zich verschillend gedragen in de richtingen binnen en buiten het vlak. Deze eigenschap staat bekend als anisotropie.
Yinming Shao, nu postdoc bij Columbia, zei: “Het lijkt een beetje op een sandwich: de ene laag gedraagt zich als metaal, terwijl de volgende laag als isolator werkt. Wanneer dat gebeurt, begint het licht op bepaalde frequenties een ongewone interactie met het metaal aan te gaan. In plaats van terug te stuiteren, kan het zich in een zigzagpatroon door het materiaal verplaatsen, wat we hyperbolische voortplanting noemen.”
In deze studie gebruikten wetenschappers ZrSiSe-monsters van verschillende diktes om getuige te zijn van dergelijke zigzagbewegingen van licht of zogenaamde hyperbolische golfgeleidermodi. Deze golfgeleiders, die plasmonen zijn, worden geproduceerd wanneer lichtfotonen worden gecombineerd met elektronenoscillaties hybride quasideeltjes die licht door een materiaal kunnen leiden.
Wetenschappers merkten op, “Het is het unieke bereik van elektronenenergieniveaus, de zogenaamde elektronische bandstructuur, van ZrSiSe waardoor het team deze in dit materiaal kon observeren.”
Plasmonen kunnen kenmerken in een monster ‘vergroten’, waardoor wetenschappers voorbij de diffractielimiet van optische microscopen kunnen kijken, die anders niet in staat zijn details te onderscheiden die kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat ze gebruiken.
Shao zei, “Met behulp van hyperbolische plasmonen kunnen we kenmerken van minder dan 100 nanometer oplossen met behulp van infrarood licht dat honderden keren lang is.”
“ZrSiSe kan in verschillende diktes worden afgepeld, waardoor het een interessante optie is voor nano-optica-onderzoek waarbij ultradunne materialen worden gebruikt. Maar dit is waarschijnlijk niet het enige materiaal dat waardevol is; vanaf hier wil de groep andere materialen onderzoeken die overeenkomsten vertonen met ZrSiSe, maar mogelijk zelfs nog gunstiger golfgeleidende eigenschappen hebben. Dat zou ons kunnen helpen ontwikkelen efficiëntere optische chips en betere nano-optica-benaderingen om fundamentele vragen over te onderzoeken kwantummaterialen. '
Journal Reference:
- Yinming Shao et al. Infraroodplasmonen planten zich voort door een hyperbolisch knoopmetaal. Wetenschap Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
