Metaller är kanoniska plasmoniska medier vid infraröda och optiska våglängder, vilket gör att man kan styra och manipulera ljus på nanoskala. Metaller är utmärkta på att överföra värme och elektricitet, men de anses inte ofta vara ett sätt att leda ljus.
En ny studie av Columbia University rapporter om en metall som kan leda ljus genom den.
Forskare har undersökt de optiska egenskaperna hos ett halvmetallmaterial känt som ZrSiSe. 2020 fann de att ZrSiSe delar elektroniska likheter med grafen. Förbättrade elektroniska korrelationer, ovanliga för Dirac-halvmetaller, finns i ZrSiSe.
Till skillnad från grafen, ett enda, atomtunt kollager, är ZrSiSe en tredimensionell metallkristall. Den är gjord av lager som beter sig olika i riktningarna i planet och utanför planet. Denna egenskap är känd som anisotropi.
Yinming Shao, nu postdoc vid Columbia, sa: "Det är ungefär som en smörgås: ett lager fungerar som en metall medan nästa lager fungerar som en isolator. När det händer börjar ljuset interagera ovanligt med metallen vid vissa frekvenser. Istället för att studsa av kan den färdas inuti materialet i ett sicksackmönster, som vi kallar hyperbolisk utbredning.”
I denna studie använde forskare ZrSiSe-prover av olika tjocklekar för att bevittna sådana sicksackrörelser av ljus eller så kallade hyperboliska vågledarlägen. Dessa vågledare, som är plasmoner, produceras när ljusfotoner kombineras med elektronoscillationer för att bilda hybrid kvasipartiklar som kan rikta ljus genom ett material.
Forskare noterade, "Det är det unika utbudet av elektronenerginivåer, kallad elektronisk bandstruktur, av ZrSiSe som gjorde det möjligt för teamet att observera dem i detta material."
Plasmoner kan "förstora" egenskaper i ett prov, vilket gör det möjligt för forskare att se förbi diffraktionsgränsen för optiska mikroskop, som annars inte kan urskilja detaljer som är mindre än våglängden av ljus de använder.
Shao sade, "Med hjälp av hyperboliska plasmoner kunde vi lösa funktioner som är mindre än 100 nanometer med infrarött ljus som är hundratals gånger långt."
"ZrSiSe kan skalas till olika tjocklekar, vilket gör det till ett intressant alternativ för nanooptikforskning som gynnar ultratunna material. Men det är förmodligen inte det enda materialet som är värdefullt – härifrån vill gruppen utforska andra som delar likheter med ZrSiSe men som kan ha ännu mer gynnsamma vågledande egenskaper. Det kan hjälpa oss utveckla effektivare optiska chips och bättre nanooptiska tillvägagångssätt för att utforska grundläggande frågor om kvantmaterial. "
Tidskriftsreferens:
- Yinming Shao et al. Infraröda plasmoner fortplantar sig genom en hyperbolisk nodalmetall. Vetenskap Förskott (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
