Onderzoekers identificeren uniek fenomeen in Kagome-metaal

In traditioneel Japans mandenvlechten wordt het oude “Kagome”-ontwerp dat in veel handgemaakte creaties te zien is, gekenmerkt door een symmetrisch patroon van in elkaar grijpende driehoeken met gedeelde hoeken. In de kwantumfysica is de naam Kagome door wetenschappers geleend om een ​​klasse materialen te beschrijven met een atomaire structuur die sterk lijkt op dit kenmerkende roosterpatroon.

Sinds de nieuwste familie van Kagome-metalen in 2019 werd ontdekt, werken natuurkundigen aan een beter begrip van hun eigenschappen en potentiële toepassingen. Een nieuwe studie onder leiding van Guangxin Ni, assistent-professor natuurkunde aan de Florida State University, richt zich op hoe een bepaald Kagome-metaal interageert met licht om zogenaamde plasmonpolaritonen te genereren: nanoschaal-niveau gekoppelde golven van elektronen en elektromagnetische velden in een materiaal, meestal veroorzaakt door licht of andere elektromagnetische golven. Het werk was gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Eerder onderzoek heeft plasmonen in gewone metalen onderzocht, maar niet zozeer in Kagome-metalen, waar het gedrag van elektronen complexer is. In deze studie onderzochten de onderzoekers van FSU het metaal cesium-vanadium-antimonide, ook bekend onder de chemische formule CsV₃Ik₅om een ​​beter inzicht te krijgen in de eigenschappen die het tot een veelbelovende kandidaat maken voor nauwkeurigere en efficiëntere fotonische technologieën.

De onderzoekers hebben voor het eerst het bestaan ​​van plasmonen in CsV geïdentificeerd₃Ik₅ en ontdekte dat de golflengte van die plasmonen afhankelijk is van de dikte van het metaal.

Ze ontdekten ook dat het veranderen van de frequentie van een laser die op het metaal schijnt ervoor zorgt dat de plasmonen zich anders gedragen, waardoor ze veranderen in een vorm die bekend staat als “hyperbolische bulkplasmonen”, die zich door het materiaal verspreiden in plaats van beperkt te blijven tot het oppervlak. Als gevolg hiervan verloren deze golven minder energie dan voorheen, wat betekent dat ze effectiever konden reizen.

“Hyperbolische plasmonpolaritonen zijn zeldzaam in natuurlijke metalen, maar ons onderzoek laat zien hoe elektroneninteracties deze unieke golven op nanoschaal kunnen creëren,” aldus Ni. “Deze doorbraak is essentieel voor de ontwikkeling van technologieën in nano-optica en nano-fotonica.”

Om te onderzoeken hoe plasmonen met het metaal interacteerden, kweekten de onderzoekers enkele kristallen van CsV₃Ik₅ en plaatsten vervolgens dunne vlokken van het materiaal op speciaal voorbereide goudoppervlakken. Door lasers te gebruiken om scannende infrarood nano-imaging uit te voeren, observeerden ze hoe de plasmonpolaritonen van het metaal – golven van elektronen die interacteren met elektromagnetische velden – op interessante manieren veranderden.

“Wat maakt CsV₃Ik₅ interessant is hoe het op een zeer kleine schaal met licht interageert, wat bekend staat als nano-optica,” zei hoofdauteur Hossein Shiravi, een afgestudeerde onderzoeksassistent bij het National High Magnetic Field Laboratory met hoofdkantoor in de FSU. “We ontdekten dat over een breed bereik van infraroodlichtfrequenties de gecorreleerde elektrische eigenschappen in het metaal de vorming van hyperbolische bulkplasmonen veroorzaakten.”

Dat hyperbolische patroon betekent dat er minder energie verloren gaat. De bevindingen van het team onthullen nieuwe informatie over de manier waarop Kagome-metaal CsV₃Ik₅ gedraagt ​​zich onder verschillende omstandigheden, waardoor onderzoekers een nauwkeuriger beeld krijgen van de eigenschappen en mogelijke toepassingen in de echte wereld.

“Hyperbolische plasmonpolaritonen kunnen een scala aan verbazingwekkende nano-optische eigenschappen en mogelijkheden bieden,” zei Ni. “Ze hebben het potentieel om optische communicatiesystemen te verbeteren, superheldere beeldvorming mogelijk te maken voorbij de huidige grenzen en fotonische apparaten beter te laten werken. Ze kunnen ook nuttig zijn voor het detecteren van zaken als veranderingen in de omgeving en medische diagnostiek, omdat ze sterk reageren op hun omgeving. Deze kwaliteiten maken ze essentieel voor het ontwikkelen van toekomstige optische en fotonische technologieën.”

De CsV₃Ik₅ metaal was een veelbelovende keuze voor plasmononderzoek vanwege zijn ongewone elektronische en optische eigenschappen, zoals zijn potentiële vermogen om golven van plasmonen in één richting te laten bewegen, om er maar een te noemen. Recente ontwikkelingen in beeldtechnologie op nanoschaalniveau hielpen de onderzoekers hun werk te voltooien.

“Elektronische verliezen die je normaal gesproken tegenkomt in conventionele metalen, hebben eerder de pogingen om exotische licht-materie-koppelingseffecten te observeren, waaronder hyperbolische polaritonen, gecompliceerd”, aldus Ni. “Dit is een deel van wat dit een opwindende doorbraak maakt. Het zal interessant zijn om nano-optische fenomenen in onconventionele metalen te blijven onderzoeken vanwege hun potentieel om bij te dragen aan toekomstige technologieën.”

FSU-afgestudeerde Aakash Gupta was ook medeauteur van deze studie. De studie werd uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van de University of California Santa Barbara, Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, Tsinghua University in China en de Duitse University of Stuttgart, Leipzig University en Institute of Ion Beam Physics and Materials Research.