Kim loại là môi trường plasmonic chính tắc ở bước sóng hồng ngoại và quang học, cho phép con người dẫn hướng và điều khiển ánh sáng ở cấp độ nano. Kim loại rất tuyệt vời trong việc truyền nhiệt và điện, nhưng chúng thường không được coi là phương tiện dẫn ánh sáng.
Một nghiên cứu mới của Đại học Columbia báo cáo về một kim loại có thể dẫn ánh sáng qua nó.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu các tính chất quang học của vật liệu bán kim loại được gọi là ZrSiSe. Vào năm 2020, họ phát hiện ra rằng ZrSiSe có những điểm tương đồng về điện tử với graphene. Các tương quan điện tử nâng cao, không phổ biến đối với bán kết Dirac, có mặt trong ZrSiSe.
Không giống như graphene, một lớp carbon đơn, mỏng bằng một nguyên tử, ZrSiSe là một tinh thể kim loại ba chiều. Nó được tạo bởi các lớp hoạt động khác nhau theo hướng trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng. Tài sản này được gọi là bất đẳng hướng.
Yinming Shao, hiện là postdoc tại Columbia, cho biết, “Nó giống như một chiếc bánh sandwich: một lớp hoạt động như kim loại trong khi lớp tiếp theo hoạt động như chất cách điện. Khi điều đó xảy ra, ánh sáng bắt đầu tương tác bất thường với kim loại ở một số tần số nhất định. Thay vì bật ra, nó có thể di chuyển bên trong vật liệu theo hình zíc zắc, mà chúng tôi gọi là sự lan truyền hypebol.”
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã sử dụng các mẫu ZrSiSe có độ dày khác nhau để chứng kiến các chuyển động ngoằn ngoèo như vậy của ánh sáng hay cái gọi là chế độ ống dẫn sóng hyperbol. Các ống dẫn sóng này, là các plasmon, được tạo ra khi các photon ánh sáng kết hợp với các dao động của electron để tạo thành chuẩn tinh lai có thể hướng ánh sáng xuyên qua vật liệu.
Các nhà khoa học ghi nhận, “Chính phạm vi mức năng lượng điện tử duy nhất, được gọi là cấu trúc dải điện tử, của ZrSiSe đã cho phép nhóm nghiên cứu quan sát chúng trong vật liệu này.”
Các plasmon có thể “phóng đại” các đặc điểm trong một mẫu, cho phép các nhà khoa học nhìn xuyên qua giới hạn nhiễu xạ của kính hiển vi quang học, vốn không thể phân biệt được các chi tiết nhỏ hơn bước sóng ánh sáng mà chúng sử dụng.
Shao nói, “Sử dụng plasmon hyperbol, chúng tôi có thể phân giải các tính năng nhỏ hơn 100 nanomet bằng ánh sáng hồng ngoại dài hàng trăm lần.”
“ZrSiSe có thể được bóc tách thành các độ dày khác nhau, khiến nó trở thành một lựa chọn thú vị cho nghiên cứu quang học nano ủng hộ các vật liệu siêu mỏng. Nhưng, nó có thể không phải là vật liệu duy nhất có giá trị—từ đây, nhóm muốn khám phá những vật liệu khác có điểm tương đồng với ZrSiSe nhưng thậm chí có thể có các đặc tính dẫn sóng thuận lợi hơn. Điều đó có thể giúp chúng tôi phát triển các chip quang học hiệu quả hơn và các phương pháp tiếp cận quang học nano tốt hơn để khám phá các câu hỏi cơ bản về vật liệu lượng tử".
Tạp chí tham khảo:
- Yinming Shao và cộng sự. Các plasmon hồng ngoại lan truyền qua một kim loại nút hypebol. Những tiến bộ khoa học (Năm 2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169
