Os metais são meios plasmônicos canônicos em comprimentos de onda infravermelhos e ópticos, permitindo guiar e manipular a luz em nanoescala. Os metais são excelentes na transferência de calor e eletricidade, mas não são frequentemente considerados um meio de condução de luz.
Um novo estudo por Universidade de Columbia relata sobre um metal que pode conduzir luz através dele.
Os cientistas têm investigado as propriedades ópticas de um material semimetálico conhecido como ZrSiSe. Em 2020, eles descobriram que o ZrSiSe compartilha semelhanças eletrônicas com grafeno. Correlações eletrônicas aprimoradas, incomuns para semimetais de Dirac, estão presentes no ZrSiSe.
Ao contrário do grafeno, uma única camada de carbono com a espessura de um átomo, o ZrSiSe é um cristal metálico tridimensional. É feito de camadas que se comportam de maneira diferente nas direções dentro e fora do plano. Esta propriedade é conhecida como anisotropia.
Yinming Shao, agora pós-doutorado na Columbia, disse: “É como um sanduíche: uma camada atua como um metal enquanto a próxima camada atua como um isolante. Quando isso acontece, a luz começa a interagir de forma incomum com o metal em certas frequências. Em vez de ricochetear, ele pode viajar dentro do material em zigue-zague, o que chamamos de propagação hiperbólica.”
Neste estudo, os cientistas usaram amostras de ZrSiSe de várias espessuras para testemunhar esses movimentos em zigue-zague da luz ou os chamados modos de guia de ondas hiperbólicos. Esses guias de onda, que são plasmons, são produzidos quando fótons de luz se combinam com oscilações de elétrons para formar quasipartículas híbridas que pode direcionar a luz através de um material.
Os cientistas observaram, “É a faixa única de níveis de energia dos elétrons, chamada estrutura de banda eletrônica, do ZrSiSe que permitiu à equipe observá-los neste material.”
Os plasmões podem “ampliar” características de uma amostra, permitindo aos cientistas ver além do limite de difração dos microscópios ópticos, que de outra forma seriam incapazes de distinguir detalhes menores do que o comprimento de onda da luz que utilizam.
Shao dito, “Usando plasmons hiperbólicos, poderíamos resolver características com menos de 100 nanômetros usando luz infravermelha centenas de vezes mais longa.”
“O ZrSiSe pode ser descascado em diferentes espessuras, o que o torna uma opção interessante para pesquisas em nanoóptica que privilegiam materiais ultrafinos. Mas provavelmente não é o único material valioso – a partir daqui, o grupo quer explorar outros que compartilhem semelhanças com o ZrSiSe, mas que possam ter propriedades de guia de ondas ainda mais favoráveis. Isso poderia nos ajudar desenvolver chips ópticos mais eficientes e melhores abordagens nano-ópticas para explorar questões fundamentais sobre materiais quânticos. "
Jornal de referência:
- Yinming Shao et ai. Os plasmons infravermelhos se propagam através de um metal nodal hiperbólico. Os avanços da ciência (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
