Метали є канонічними плазмонними середовищами на інфрачервоних і оптичних довжинах хвиль, що дозволяє направляти та маніпулювати світлом на нанорозмірі. Метали чудово передають тепло й електрику, але їх не часто вважають засобом проведення світла.
Нове дослідження від Колумбійський університет повідомляє про метал, який може проводити світло через нього.
Вчені досліджували оптичні властивості напівметалічного матеріалу, відомого як ZrSiSe. У 2020 році вони виявили, що ZrSiSe має електронні схожості з графен. Посилені електронні кореляції, незвичайні для напівметалів Дірака, присутні в ZrSiSe.
На відміну від графену, який складається з одного вуглецевого шару, ZrSiSe є тривимірним металевим кристалом. Він складається з шарів, які поводяться по-різному в площині та поза площиною. Ця властивість відома як анізотропія.
Їньмін Шао, який зараз є докторантом у Колумбійському університеті, сказав: «Це щось на зразок сендвіча: один шар діє як метал, а наступний — як ізолятор. Коли це відбувається, світло починає незвично взаємодіяти з металом на певних частотах. Замість того, щоб відбиватися, він може рухатися всередині матеріалу зигзагоподібним візерунком, який ми називаємо гіперболічним розповсюдженням».
У цьому дослідженні вчені використовували зразки ZrSiSe різної товщини, щоб спостерігати такі зигзагоподібні рухи світла або так звані гіперболічні хвилевідні моди. Ці хвилеводи, які є плазмонами, утворюються, коли світлові фотони поєднуються з електронними коливаннями, утворюючи гібридні квазічастинки які можуть направляти світло крізь матеріал.
Вчені відзначили, «Саме унікальний діапазон рівнів енергії електронів, який називається електронною зонною структурою, ZrSiSe дозволив команді спостерігати їх у цьому матеріалі».
Плазмони можуть «збільшувати» особливості зразка, дозволяючи вченим бачити за межею дифракції оптичних мікроскопів, які в іншому випадку не можуть розрізнити деталі, менші за довжину хвилі світла, яку вони використовують.
Шао сказав, «Використовуючи гіперболічні плазмони, ми могли б розрізнити елементи розміром менше 100 нанометрів, використовуючи інфрачервоне світло, яке має довжину в сотні разів».
«ZrSiSe можна очищати до різної товщини, що робить його цікавим варіантом для досліджень нанооптики, які віддають перевагу ультратонким матеріалам. Але, ймовірно, це не єдиний цінний матеріал — з цього моменту група хоче вивчити інші, які мають схожість із ZrSiSe, але можуть мати ще більш сприятливі хвилепровідні властивості. Це може нам допомогти розробити більш ефективні оптичні чіпи та кращі підходи до нанооптики для дослідження фундаментальних питань квантові матеріали».
Довідка з журналу:
- Іньмін Шао та ін. Інфрачервоні плазмони поширюються через гіперболічний нодальний метал. Наука розвивається (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
