Физики видят световые волны, движущиеся через металл

Когда мы сталкиваемся с металлами в повседневной жизни, мы воспринимаем их как блестящие поверхности. Это связано с тем, что обычные металлические материалы отражают длины волн видимого света и будут отражать любой падающий на них свет. Хотя металлы хорошо проводят электричество и тепло, их обычно не считают проводниками света.

Но в растущей области квантовых материалов исследователи все чаще находят примеры, которые бросают вызов представлениям о том, как вещи должны себя вести. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances , команда под руководством Дмитрия Басова, профессора физики Хиггинса Колумбийского университета, описывает металл, способный проводить свет. «Эти результаты противоречат нашему повседневному опыту и общепринятым представлениям», — сказал Басов.

Работой руководил Иньмин Шао, ныне постдоктор в Колумбийском университете, который перешел в качестве доктора философии. когда Басов перевел свою лабораторию из Калифорнийского университета в Сан-Диего в Нью-Йорк в 2016 году. Работая с группой Басова, Шао изучал оптические свойства полуметаллического материала, известного как ZrSiSe. В 2020 году в журнале Nature Physics Шао и его коллеги показали, что ZrSiSe имеет электронное сходство с графеном, первым так называемым материалом Дирака, открытым в 2004 году. Однако ZrSiSe обладает усиленными электронными корреляциями, которые редки для полуметаллов Дирака.

В то время как графен представляет собой одиночный слой углерода толщиной в атом, ZrSiSe представляет собой трехмерный металлический кристалл, состоящий из слоев, которые ведут себя по-разному в плоскости и вне плоскости, свойство, известное как анизотропия. «Это похоже на бутерброд: один слой действует как металл, а следующий слой действует как изолятор», — объяснил Шао. «Когда это происходит, свет начинает необычным образом взаимодействовать с металлом на определенных частотах. Вместо того, чтобы просто отражаться, он может двигаться внутри материала зигзагообразно, что мы называем гиперболическим распространением».

В своей текущей работе Шао и его сотрудники из Колумбийского и Калифорнийского университетов в Сан-Диего наблюдали такое зигзагообразное движение света, так называемые гиперболические волноводные моды, через образцы ZrSiSe различной толщины. Такие волноводы могут направлять свет через материал и в данном случае возникают в результате смешивания фотонов света с колебаниями электронов с образованием гибридных квазичастиц, называемых плазмонами .

Хотя условия для генерации плазмонов, которые могут распространяться гиперболически, выполняются во многих слоистых металлах, именно уникальный диапазон уровней энергии электронов, называемый электронной зонной структурой ZrSiSe, позволил команде наблюдать их в этом материале.

Плазмоны могут «увеличивать» детали в образце, позволяя исследователям видеть за пределами дифракционного предела оптических микроскопов, которые в противном случае не могут различать детали меньше длины волны света, который они используют. «Используя гиперболические плазмоны, мы могли бы различать элементы размером менее 100 нанометров, используя инфракрасный свет, который в сотни раз длиннее», — сказал Шао.

По словам Шао, ZrSiSe можно отслаивать до различной толщины, что делает его интересным вариантом для исследований в области нанооптики, в которых предпочтение отдается ультратонким материалам. Но, вероятно, это не единственный ценный материал — отсюда группа хочет исследовать другие, которые имеют сходство с ZrSiSe, но могут иметь еще более благоприятные волноводные свойства. Это может помочь исследователям разработать более эффективные оптические чипы и лучшие подходы нанооптики для изучения фундаментальных вопросов о квантовых материалах.

Дополнительная информация: Yinming Shao et al. Инфракрасные плазмоны распространяются через гиперболический узловой металл. Научные достижения (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com