Natuurkundigen zien lichtgolven door een metaal bewegen

Wanneer we metalen tegenkomen in ons dagelijks leven, zien we ze als glanzend. Dat komt omdat gewone metalen materialen reflecterend zijn bij golflengten van zichtbaar licht en elk licht dat erop valt terugkaatsen. Hoewel metalen zeer geschikt zijn voor het geleiden van elektriciteit en warmte, worden ze doorgaans niet beschouwd als een middel om licht te geleiden.

Maar in het ontluikende veld van kwantummaterialen vinden onderzoekers steeds vaker voorbeelden die verwachtingen uitdagen over hoe dingen zich zouden moeten gedragen. In nieuw onderzoek gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang, beschrijft een team onder leiding van Dmitri Basov, Higgins-hoogleraar natuurkunde aan de Columbia University, een metaal dat in staat is licht te geleiden. “Deze resultaten tarten onze dagelijkse ervaringen en gemeenschappelijke opvattingen”, zei Basov.

Het werk werd geleid door Yinming Shao, nu een postdoc aan Columbia die overging als Ph.D. student toen Basov zijn laboratorium in 2016 van de University of California San Diego naar New York verhuisde. Tijdens zijn samenwerking met de Basov-groep heeft Shao de optische eigenschappen onderzocht van een semi-metalen materiaal dat bekend staat als ZrSiSe. In 2020 in NatuurfysicaShao en zijn collega’s toonden aan dat ZrSiSe elektronische overeenkomsten deelt met grafeen, het eerste zogenaamde Dirac-materiaal dat in 2004 werd ontdekt. ​​ZrSiSe heeft echter verbeterde elektronische correlaties die zeldzaam zijn voor Dirac-halfmetalen.

Terwijl grafeen een enkele, atoomdunne laag koolstof is, is ZrSiSe een driedimensionaal metaalkristal dat bestaat uit lagen die zich verschillend gedragen in de richtingen in het vlak en buiten het vlak, een eigenschap die bekend staat als anisotropie. “Het is een soort sandwich: de ene laag werkt als een metaal, terwijl de volgende laag als een isolator werkt”, legt Shao uit. “Als dat gebeurt, begint licht op bepaalde frequenties ongewoon met het metaal te interageren. In plaats van gewoon terug te kaatsen, kan het in een zigzagpatroon in het materiaal reizen, wat we hyperbolische voortplanting noemen.”

In hun huidige werk observeerden Shao en zijn medewerkers aan Columbia en de Universiteit van Californië, San Diego, een dergelijke zigzagbeweging van licht, zogenaamde hyperbolische golfgeleidermodi, door ZrSiSe-monsters van verschillende diktes. Dergelijke golfgeleiders kunnen licht door een materiaal leiden en zijn hier het resultaat van fotonen van licht die zich vermengen met elektronenoscillaties om hybride quasideeltjes te creëren die plasmonen worden genoemd.

Hoewel in veel gelaagde metalen wordt voldaan aan de voorwaarden om plasmonen te genereren die zich hyperbolisch kunnen voortplanten, is het het unieke bereik van elektronenenergieniveaus, elektronische bandstructuur genaamd, van ZrSiSe waardoor het team ze in dit materiaal kon observeren. Theoretische ondersteuning om deze experimentele resultaten te verklaren, kwam van Andrey Rikhter in de groep van Michael Fogler aan UC San Diego, Umberto De Giovannini en Angel Rubio van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, en Raquel Queiroz en Andrew Millis in Columbia. (Rubio en Millis zijn ook aangesloten bij het Flatiron Institute van de Simons Foundation)

Plasmonen kunnen kenmerken in een monster “vergroten”, waardoor onderzoekers verder kunnen kijken dan de diffractielimiet van optische microscopen, die anders geen details kunnen oplossen die kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat ze gebruiken. “Met behulp van hyperbolische plasmonen konden we kenmerken van minder dan 100 nanometer oplossen met infraroodlicht dat honderden keren langer is”, zei Shao.

ZrSiSe kan tot verschillende diktes worden gepeld, waardoor het een interessante optie is voor nano-optica-onderzoek dat de voorkeur geeft aan ultradunne materialen, zei Shao. Maar het is waarschijnlijk niet het enige materiaal dat waardevol is – van hieruit wil de groep anderen verkennen die overeenkomsten vertonen met ZrSiSe, maar mogelijk nog gunstigere golfgeleidingseigenschappen hebben. Dat zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwikkelen van efficiëntere optische chips en betere nano-optische benaderingen om fundamentele vragen over kwantummaterialen te onderzoeken.

“We willen optische golfgeleidermodi gebruiken, zoals we in dit materiaal hebben gevonden en hopen in andere te vinden, als verslaggevers van interessante nieuwe fysica”, zei Basov.