Металлы являются каноническими плазмонными средами в инфракрасных и оптических длинах волн, что позволяет направлять свет и манипулировать им на наноуровне. Металлы превосходно переносят тепло и электричество, но их не часто считают средством проведения света.
Новое исследование Колумбийский университет сообщает о металле, который может проводить через себя свет.
Ученые исследовали оптические свойства полуметаллического материала, известного как ZrSiSe. В 2020 году они обнаружили, что ZrSiSe имеет электронное сходство с графен. В ZrSiSe присутствуют усиленные электронные корреляции, необычные для полуметаллов Дирака.
В отличие от графена, состоящего из одного углеродного слоя толщиной в атом, ZrSiSe представляет собой трехмерный металлический кристалл. Он состоит из слоев, которые ведут себя по-разному в плоскостном и внеплоскостном направлениях. Это свойство известно как анизотропия.
Иньмин Шао, ныне постдок в Колумбийском университете, сказал: «Это что-то вроде сэндвича: один слой действует как металл, а следующий слой действует как изолятор. Когда это происходит, свет начинает необычным образом взаимодействовать с металлом на определенных частотах. Вместо того, чтобы отскакивать, он может перемещаться внутри материала по зигзагообразной схеме, которую мы называем гиперболическим распространением».
В этом исследовании ученые использовали образцы ZrSiSe различной толщины, чтобы наблюдать такие зигзагообразные движения света или так называемые гиперболические волноводные моды. Эти волноводы, представляющие собой плазмоны, образуются, когда световые фотоны объединяются с электронными колебаниями, образуя гибридные квазичастицы которые могут направлять свет через материал.
Ученые отметили, «Именно уникальный диапазон энергетических уровней электронов, называемый электронной зонной структурой ZrSiSe, позволил команде наблюдать их в этом материале».
Плазмоны могут «увеличивать» особенности образца, позволяя ученым видеть за пределами дифракционного предела оптических микроскопов, которые в противном случае не могут различать детали размером меньше длины волны света, который они используют.
Шао — сказал, «Используя гиперболические плазмоны, мы могли бы различать детали размером менее 100 нанометров, используя инфракрасный свет, длина которого в сотни раз больше».
«ZrSiSe можно измельчать до различной толщины, что делает его интересным вариантом для исследований в области нанооптики, которые отдают предпочтение ультратонким материалам. Но, вероятно, это не единственный ценный материал — отсюда группа хочет изучить другие материалы, которые имеют сходство с ZrSiSe, но могут иметь еще более благоприятные волноводные свойства. Это могло бы помочь нам разрабатывать более эффективные оптические чипы и лучшие подходы к нанооптике для изучения фундаментальных вопросов квантовые материалы".
Справочник журнала:
- Иньмин Шао и др. Инфракрасные плазмоны распространяются через гиперболический узловой металл. Наука развивается (2022). ДОИ: 10.1126/sciadv.add6169
