I fisici vedono le onde luminose che si muovono attraverso un metallo

I fisici della Columbia vedono le onde luminose che si muovono attraverso un metallo

Conduzione della luce in un metallo: le guide d’onda sono osservate in un semimetallo noto come ZrSiSe. Credito: Nicoletta Barolini, Columbia University

Quando incontriamo i metalli nella nostra vita quotidiana, li percepiamo come lucenti. Questo perché i comuni materiali metallici sono riflettenti alle lunghezze d’onda della luce visibile e rimbalzano su tutta la luce che li colpisce. Sebbene i metalli siano adatti a condurre elettricità e calore, in genere non sono considerati un mezzo per condurre la luce.

Ma nel fiorente campo dei materiali quantistici, i ricercatori trovano sempre più esempi che sfidano le aspettative su come dovrebbero comportarsi le cose. Nella nuova ricerca pubblicata in La scienza avanza, un team guidato da Dmitri Basov, professore di fisica di Higgins alla Columbia University, descrive un metallo in grado di condurre la luce. “Questi risultati sfidano le nostre esperienze quotidiane e le concezioni comuni”, ha affermato Basov.

Il lavoro è stato guidato da Yinming Shao, ora post-dottorato alla Columbia che si è trasferito come Ph.D. studente quando Basov ha trasferito il suo laboratorio dall’Università della California a San Diego a New York nel 2016. Mentre lavorava con il gruppo Basov, Shao ha esplorato le proprietà ottiche di un materiale semimetallico noto come ZrSiSe. nel 2020 Fisica della naturaShao e i suoi colleghi hanno dimostrato che ZrSiSe condivide somiglianze elettroniche con il grafene, il primo cosiddetto materiale Dirac scoperto nel 2004. ZrSiSe, tuttavia, ha migliorato le correlazioni elettroniche che sono rare per i semimetalli Dirac.

Mentre il grafene è un singolo strato di carbonio sottile come un atomo, ZrSiSe è un cristallo metallico tridimensionale costituito da strati che si comportano in modo diverso nelle direzioni piano e fuori piano, una proprietà nota come anisotropia. “È una specie di sandwich: uno strato si comporta come un metallo mentre lo strato successivo si comporta come un isolante”, ha spiegato Shao. “Quando ciò accade, la luce inizia a interagire in modo insolito con il metallo a determinate frequenze. Invece di rimbalzare, può viaggiare all’interno del materiale secondo uno schema a zigzag, che chiamiamo propagazione iperbolica”.

Nel loro attuale lavoro, Shao e i suoi collaboratori presso la Columbia e l’Università della California, San Diego, hanno osservato un tale movimento a zigzag della luce, i cosiddetti modi di guida d’onda iperbolica, attraverso campioni ZrSiSe di vari spessori. Tali guide d’onda possono guidare la luce attraverso un materiale e qui risultano da fotoni di luce che si mescolano con oscillazioni di elettroni per creare quasiparticelle ibride chiamate plasmoni.

Sebbene le condizioni per generare plasmoni che possono propagarsi iperbolico siano soddisfatte in molti metalli stratificati, è la gamma unica di livelli di energia degli elettroni, chiamata struttura a bande elettroniche, di ZrSiSe che ha permesso al team di osservarli in questo materiale. Il supporto teorico per aiutare a spiegare questi risultati sperimentali è venuto da Andrey Rikhter nel gruppo di Michael Fogler all’UC San Diego, Umberto De Giovannini e Angel Rubio al Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, e Raquel Queiroz e Andrew Millis alla Columbia. (Rubio e Millis sono anche affiliati al Flatiron Institute della Simons Foundation)

I plasmoni possono “ingrandire” le caratteristiche di un campione, consentendo ai ricercatori di vedere oltre il limite di diffrazione dei microscopi ottici, che altrimenti non possono risolvere dettagli più piccoli della lunghezza d’onda della luce che utilizzano. “Usando plasmoni iperbolici, potremmo risolvere caratteristiche inferiori a 100 nanometri usando la luce infrarossa che è centinaia di volte più lunga”, ha affermato Shao.

ZrSiSe può essere sbucciato a diversi spessori, rendendolo un’opzione interessante per la ricerca nano-ottica che favorisce i materiali ultrasottili, ha affermato Shao. Ma probabilmente non è l’unico materiale ad essere prezioso: da qui, il gruppo vuole esplorare altri che condividono somiglianze con ZrSiSe ma potrebbero avere proprietà di guida d’onda ancora più favorevoli. Ciò potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare chip ottici più efficienti e migliori approcci nano-ottici per esplorare questioni fondamentali sui materiali quantistici.

“Vogliamo utilizzare modalità guida d’onda ottica, come abbiamo trovato in questo materiale e speriamo di trovare in altri, come reporter di una nuova fisica interessante”, ha affermato Basov.


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Maggiori informazioni:
Yinming Shao et al. I plasmoni infrarossi si propagano attraverso un metallo nodale iperbolico. La scienza avanza (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add6169

Fornito dalla Columbia University Quantum Initiative

Citazione: I fisici vedono le onde luminose che si muovono attraverso un metallo (2022, 26 ottobre) recuperate il 26 ottobre 2022 da https://phys.org/news/2022-10-physicists-metal.html

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