Metaller er kanoniske plasmoniske medier ved infrarøde og optiske bølgelengder, som lar en lede og manipulere lys på nanoskala. Metaller er gode til å overføre varme og elektrisitet, men de regnes ikke ofte som et middel for å lede lys.
En ny studie av Columbia University rapporter om et metall som kan lede lys gjennom det.
Forskere har undersøkt de optiske egenskapene til et semimetallmateriale kjent som ZrSiSe. I 2020 fant de ut at ZrSiSe deler elektroniske likheter med graphene. Forbedrede elektroniske korrelasjoner, uvanlig for Dirac-halvmetaller, er tilstede i ZrSiSe.
I motsetning til grafen, et enkelt, atomtynt karbonlag, er ZrSiSe en tredimensjonal metallisk krystall. Den er laget av lag som oppfører seg forskjellig i retningen i-planet og ut-av-planet. Denne egenskapen er kjent som anisotropi.
Yinming Shao, nå postdoktor ved Columbia, sa: "Det er på en måte som en sandwich: ett lag fungerer som et metall mens det neste laget fungerer som en isolator. Når det skjer, begynner lyset å samhandle uvanlig med metallet ved visse frekvenser. I stedet for å sprette av, kan den bevege seg inne i materialet i et sikksakkmønster, som vi kaller hyperbolsk forplantning.»
I denne studien brukte forskere ZrSiSe-prøver av forskjellige tykkelser for å se slike sikksakk-bevegelser av lys eller såkalte hyperbolske bølgeledermoduser. Disse bølgelederne, som er plasmoner, produseres når lysfotoner kombineres med elektronoscillasjoner for å danne hybride kvasipartikler som kan lede lys gjennom et materiale.
Forskere bemerket, "Det er det unike spekteret av elektronenerginivåer, kalt elektronisk båndstruktur, til ZrSiSe som gjorde at teamet kunne observere dem i dette materialet."
Plasmoner kan "forstørre" funksjoner i en prøve, slik at forskere kan se forbi diffraksjonsgrensen til optiske mikroskoper, som ellers ikke er i stand til å skille detaljer som er mindre enn bølgelengden til lys de bruker.
Shao sa, "Ved bruk av hyperbolske plasmoner kunne vi løse funksjoner på mindre enn 100 nanometer ved å bruke infrarødt lys som er hundrevis av ganger langt."
"ZrSiSe kan skrelles til forskjellige tykkelser, noe som gjør det til et interessant alternativ for forskning på nanooptikk som favoriserer ultratynne materialer. Men det er sannsynligvis ikke det eneste materialet som er verdifullt - herfra ønsker gruppen å utforske andre som deler likheter med ZrSiSe, men som kan ha enda mer gunstige bølgeledende egenskaper. Det kan hjelpe oss utvikle mer effektive optiske brikker og bedre nano-optiske tilnærminger for å utforske grunnleggende spørsmål om kvantematerialer».
Tidsreferanse:
- Yinming Shao et al. Infrarøde plasmoner forplanter seg gjennom et hyperbolsk nodalmetall. Vitenskap Fremskritt (2022). GJØR JEG: 10.1126/sciadv.add6169
