Metale są kanonicznymi mediami plazmonicznymi w zakresie fal podczerwonych i optycznych, co pozwala na kierowanie i manipulowanie światłem w nanoskali. Metale doskonale przenoszą ciepło i elektryczność, ale nie są często uważane za środki przewodzące światło.
Nowe badanie autorstwa Columbia University doniesienia o metalu, który może przez niego przewodzić światło.
Naukowcy badali właściwości optyczne półmetalicznego materiału znanego jako ZrSiSe. W 2020 roku odkryli, że ZrSiSe ma wspólne elektroniczne podobieństwa z grafenu. W ZrSiSe obecne są wzmocnione korelacje elektroniczne, rzadkie dla półmetali Diraca.
W przeciwieństwie do grafenu, pojedynczej warstwy węgla o grubości atomu, ZrSiSe jest trójwymiarowym metalicznym kryształem. Składa się z warstw, które zachowują się inaczej w kierunkach w płaszczyźnie i poza płaszczyzną. Ta właściwość jest znana jako anizotropia.
Yinming Shao, obecnie postdoc w Columbii, powiedział: „To trochę jak kanapka: jedna warstwa zachowuje się jak metal, podczas gdy następna warstwa działa jak izolator. Kiedy tak się dzieje, światło zaczyna nietypowo oddziaływać z metalem przy określonych częstotliwościach. Zamiast odbijać się, może przemieszczać się wewnątrz materiału po zygzakowatym wzorze, który nazywamy propagacją hiperboliczną”.
W tym badaniu naukowcy wykorzystali próbki ZrSiSe o różnej grubości, aby zaobserwować takie zygzakowate ruchy światła lub tak zwane hiperboliczne tryby falowodu. Te falowody, które są plazmonami, powstają, gdy fotony światła łączą się z oscylacjami elektronów, tworząc kwazicząstki hybrydowe które mogą kierować światło przez materiał.
Naukowcy zauważyli, „To unikalny zakres poziomów energii elektronów, zwany elektronową strukturą pasmową ZrSiSe, pozwolił zespołowi obserwować je w tym materiale”.
Plazmony mogą „powiększać” cechy w próbce, umożliwiając naukowcom patrzenie poza granicę dyfrakcji mikroskopów optycznych, które inaczej nie są w stanie rozróżnić szczegółów mniejszych niż długość fali światła, z której korzystają.
Shao powiedziany, „Korzystając z plazmonów hiperbolicznych, mogliśmy rozróżnić obiekty mniejsze niż 100 nanometrów przy użyciu światła podczerwonego, które jest setki razy długie”.
„ZrSiSe można łuszczyć do różnych grubości, co czyni go interesującą opcją dla badań nanooptycznych, które faworyzują ultracienkie materiały. Ale prawdopodobnie nie jest to jedyny cenny materiał – stąd grupa chce zbadać inne, które mają wspólne podobieństwa z ZrSiSe, ale mogą mieć jeszcze korzystniejsze właściwości falowodowe. To mogłoby nam pomóc opracować wydajniejsze chipy optyczne i lepsze podejście do nanooptyki, aby zbadać podstawowe pytania dotyczące materiały kwantowe".
Referencje czasopisma:
- Yinming Shao i in. Plazmony w podczerwieni rozchodzą się przez hiperboliczny metal węzłowy. Postępy nauki (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
