.png)
Νέα έρευνα βρίσκει στοιχεία κυματοδήγησης σε ένα μοναδικό κβαντικό υλικό. Αυτά τα ευρήματα αντικρούουν τις προσδοκίες για το πώς τα μέταλλα μεταφέρουν το φως και μπορεί να ωθήσουν την απεικόνιση πέρα από τα όρια οπτικής περίθλασης.
Αντιλαμβανόμαστε τα μέταλλα ως λαμπερά όταν συναντάμε μέταλλα στην καθημερινή μας ζωή. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κοινά μεταλλικά υλικά είναι αντανακλαστικά σε μήκη κύματος ορατού φωτός και ως εκ τούτου θα αναπηδήσουν το φως που τα χτυπά. Αν και τα μέταλλα είναι κατάλληλα για την αγωγή του ηλεκτρισμού και της θερμότητας, δεν θεωρούνται συνήθως ως μέσο για τη αγωγή του φωτός.
Ωστόσο, οι επιστήμονες βρίσκουν όλο και περισσότερο παραδείγματα που αμφισβητούν τις προσδοκίες σχετικά με το πώς πρέπει να συμπεριφέρονται τα πράγματα στο αναπτυσσόμενο πεδίο των κβαντικών υλικών. Νέα έρευνα περιγράφει ένα μέταλλο ικανό να μεταφέρει φως μέσα από αυτό. Διεξήχθη από μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Ντμίτρι Μπάσοφ, καθηγητή Φυσικής Χίγκινς στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια , η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Science Advances στις 26 Οκτωβρίου. «Αυτά τα αποτελέσματα αψηφούν τις καθημερινές μας εμπειρίες και τις κοινές μας αντιλήψεις», είπε ο Μπάσοφ.
Επικεφαλής της εργασίας ήταν ο Yinming Shao, τώρα μεταδιδάκτορας στην Κολούμπια, ο οποίος μεταγράφηκε ως διδακτορικός φοιτητής όταν ο Basov μετέφερε το εργαστήριό του από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια του Σαν Ντιέγκο (UCSD) στη Νέα Υόρκη το 2016. Ενώ εργαζόταν με την ομάδα Basov, ο Shao ήταν εξερευνώντας τις οπτικές ιδιότητες ενός ημιμεταλλικού υλικού γνωστού ως ZrSiSe. Το 2020 στο Nature Physics , ο Shao και οι συνάδελφοί του έδειξαν ότι το ZrSiSe μοιράζεται ηλεκτρονικές ομοιότητες με το γραφένιο , το πρώτο αποκαλούμενο υλικό Dirac που ανακαλύφθηκε το 2004. Ωστόσο, το ZrSiSe έχει ενισχυμένους ηλεκτρονικούς συσχετισμούς που είναι σπάνιοι για τα ημιμέταλλα Dirac.
Ενώ το γραφένιο είναι ένα ενιαίο, λεπτό άτομο στρώμα άνθρακα, το ZrSiSe είναι ένας τρισδιάστατος μεταλλικός κρύσταλλος που αποτελείται από στρώματα που συμπεριφέρονται διαφορετικά στις κατευθύνσεις εντός και εκτός επιπέδου. Αυτή είναι μια ιδιότητα γνωστή ως ανισοτροπία.
«Είναι κάτι σαν σάντουιτς: το ένα στρώμα λειτουργεί σαν μέταλλο ενώ το επόμενο σαν μονωτικό», εξήγησε ο Shao. «Όταν συμβεί αυτό, το φως αρχίζει να αλληλεπιδρά ασυνήθιστα με το μέταλλο σε συγκεκριμένες συχνότητες. Αντί απλώς να αναπηδά, μπορεί να ταξιδέψει μέσα στο υλικό με ένα μοτίβο ζιγκ-ζαγκ, το οποίο ονομάζουμε υπερβολική διάδοση».
Στην τρέχουσα εργασία τους, ο Shao και οι συνεργάτες του στην Κολούμπια και στο UCSD παρατήρησαν τέτοιες ζιγκ-ζαγκ κινήσεις φωτός, τους λεγόμενους υπερβολικούς τρόπους κυματοδηγού, μέσω δειγμάτων ZrSiSe διαφορετικού πάχους. Τέτοιοι κυματοδηγοί μπορούν να οδηγήσουν το φως μέσα από ένα υλικό. Εδώ προκύπτουν από φωτόνια φωτός που αναμιγνύονται με ταλαντώσεις ηλεκτρονίων για να δημιουργήσουν υβριδικά οιονεί σωματίδια που ονομάζονται πλασμόνια.
Αν και οι συνθήκες για τη δημιουργία πλασμονίων που μπορούν να διαδοθούν υπερβολικά πληρούνται σε πολλά στρωματοποιημένα μέταλλα, είναι το μοναδικό εύρος επιπέδων ενέργειας ηλεκτρονίων, που ονομάζεται δομή ηλεκτρονικής ζώνης, του ZrSiSe που επέτρεψε στην ομάδα να τα παρατηρήσει σε αυτό το υλικό. Θεωρητική υποστήριξη για να εξηγηθούν αυτά τα πειραματικά αποτελέσματα προήλθε από τον Andrey Rikhter στην ομάδα του Michael Fogler στο UCSD, τον Umberto De Giovannini και τον Angel Rubio στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Δομή και τη Δυναμική της Ύλης και τους Raquel Queiroz και Andrew Millis στην Columbia. (Ο Ρούμπιο και ο Μίλις είναι επίσης συνδεδεμένοι με το Ινστιτούτο Flatiron του Ιδρύματος Simons.)
Τα πλασμόνια μπορούν να «μεγεθύνουν» χαρακτηριστικά σε ένα δείγμα, επιτρέποντας στους ερευνητές να δουν πέρα από το όριο περίθλασης των οπτικών μικροσκοπίων, τα οποία διαφορετικά δεν μπορούν να επιλύσουν λεπτομέρειες μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιούν. «Χρησιμοποιώντας υπερβολικά πλασμόνια, θα μπορούσαμε να επιλύσουμε χαρακτηριστικά μικρότερα από 100 νανόμετρα χρησιμοποιώντας υπέρυθρο φως που είναι εκατοντάδες φορές μεγαλύτερο», είπε ο Shao.
Ο Shao είπε ότι το ZrSiSe μπορεί να ξεφλουδιστεί σε διαφορετικά πάχη, καθιστώντας το μια ενδιαφέρουσα επιλογή για την έρευνα νανοοπτικής που ευνοεί τα εξαιρετικά λεπτά υλικά. Ωστόσο, πιθανότατα δεν είναι το μόνο υλικό που είναι πολύτιμο - από εδώ, η ομάδα θέλει να εξερευνήσει άλλα που μοιράζονται ομοιότητες με το ZrSiSe, αλλά μπορεί να έχουν ακόμη πιο ευνοϊκές κυματοδηγητικές ιδιότητες. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να αναπτύξουν πιο αποτελεσματικά οπτικά τσιπ και καλύτερες νανοοπτικές προσεγγίσεις για τη διερεύνηση θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με τα κβαντικά υλικά.
«Θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε τρόπους οπτικού κυματοδηγού, όπως έχουμε βρει σε αυτό το υλικό και ελπίζουμε να βρούμε σε άλλα, ως ρεπόρτερ μιας ενδιαφέρουσας νέας φυσικής», είπε ο Basov.
Αναφορά: «Υπερύθρα πλασμόνια διαδίδονται μέσω ενός υπερβολικού κόμβου μετάλλου» από τους Yinming Shao, Aaron J. Sternbach, Brian SY Kim, Andrey A. Rikhter, Xinyi Xu, Umberto De Giovannini, Ran Jing, Sang Hoon Chae, Zhiyuan Sun, Seng Huat Lee , Yanglin Zhu, Zhiqiang Mao, James C. Hone, Raquel Queiroz, Andrew J. Millis, P. James Schuck, Angel Rubio, Michael M. Fogler and Dmitri N. Basov, 26 Οκτωβρίου 2022, Science Advances .
DOI: 10.1126/sciadv.add6169
Η εργασία υποστηρίχθηκε από την υποτροφία Vannevar Bush Faculty Fellowship και το Energy Frontier Research Center on Programmable Quantum Materials του Τμήματος Ενέργειας της Κολούμπια, που επιδιώκει να ανακαλύψει νέα υλικά και εργαλεία που μπορούν να αποκαλύψουν νέες λεπτομέρειες σχετικά με τη θεμελιώδη φυσική.