Fysikere ser lysbølger bevege seg gjennom et metall

Når vi møter metaller i vårt daglige liv, oppfatter vi dem som skinnende. Det er fordi vanlige metalliske materialer er reflekterende ved synlige lysbølgelengder og vil sprette tilbake alt lys som treffer dem. Mens metaller er godt egnet til å lede elektrisitet og varme, er de vanligvis ikke tenkt på som et middel til å lede lys.

Men i det voksende feltet av kvantematerialer, finner forskere i økende grad eksempler som utfordrer forventningene til hvordan ting skal oppføre seg. I ny forskning publisert i Vitenskapens fremskritt, et team ledet av Dmitri Basov, Higgins professor i fysikk ved Columbia University, beskriver et metall som er i stand til å lede lys. “Disse resultatene trosser våre daglige erfaringer og vanlige forestillinger,” sa Basov.

Arbeidet ble ledet av Yinming Shao, nå postdoktor ved Columbia som overførte som Ph.D. student da Basov flyttet laboratoriet fra University of California San Diego til New York i 2016. Mens han jobbet med Basov-gruppen, har Shao utforsket de optiske egenskapene til et semimetallmateriale kjent som ZrSiSe. I 2020 i Naturfysikkviste Shao og hans kolleger at ZrSiSe deler elektroniske likheter med grafen, det første såkalte Dirac-materialet som ble oppdaget i 2004. ZrSiSe har imidlertid forbedret elektroniske korrelasjoner som er sjeldne for Dirac-halvmetaller.

Mens grafen er et enkelt, atomtynt lag av karbon, er ZrSiSe en tredimensjonal metallisk krystall som består av lag som oppfører seg forskjellig i retningen i planet og utenfor planet, en egenskap kjent som anisotropi. “Det er på en måte som en sandwich: Ett lag fungerer som et metall mens det neste laget fungerer som en isolator,” forklarte Shao. “Når det skjer, begynner lyset å samhandle uvanlig med metallet ved visse frekvenser. I stedet for bare å sprette av, kan det bevege seg inne i materialet i et sikksakkmønster, som vi kaller hyperbolsk forplantning.”

I deres nåværende arbeid observerte Shao og hans samarbeidspartnere ved Columbia og University of California, San Diego slike sikksakkbevegelser av lys, såkalte hyperbolske bølgeledermoduser, gjennom ZrSiSe-prøver av varierende tykkelse. Slike bølgeledere kan lede lys gjennom et materiale og her resultere fra fotoner av lys som blandes med elektronsvingninger for å lage hybride kvasipartikler kalt plasmoner.

Selv om betingelsene for å generere plasmoner som kan forplante seg hyperbolsk er oppfylt i mange lagdelte metaller, er det det unike spekteret av elektronenerginivåer, kalt elektronisk båndstruktur, til ZrSiSe som gjorde at teamet kunne observere dem i dette materialet. Teoretisk støtte for å forklare disse eksperimentelle resultatene kom fra Andrey Rikhter i Michael Foglers gruppe ved UC San Diego, Umberto De Giovannini og Angel Rubio ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, og Raquel Queiroz og Andrew Millis ved Columbia. (Rubio og Millis er også tilknyttet Simons Foundations Flatiron Institute)

Plasmoner kan “forstørre” funksjoner i en prøve, slik at forskere kan se utover diffraksjonsgrensen til optiske mikroskoper, som ellers ikke kan løse detaljer som er mindre enn bølgelengden til lyset de bruker. “Ved bruk av hyperbolske plasmoner kunne vi løse funksjoner mindre enn 100 nanometer ved å bruke infrarødt lys som er hundrevis av ganger lengre,” sa Shao.

ZrSiSe kan skrelles til forskjellige tykkelser, noe som gjør det til et interessant alternativ for forskning på nanooptikk som favoriserer ultratynne materialer, sa Shao. Men det er sannsynligvis ikke det eneste materialet som er verdifullt – herfra ønsker gruppen å utforske andre som deler likheter med ZrSiSe, men som kan ha enda mer gunstige bølgeledende egenskaper. Det kan hjelpe forskere med å utvikle mer effektive optiske brikker, og bedre nano-optiske tilnærminger for å utforske grunnleggende spørsmål om kvantematerialer.

“Vi ønsker å bruke optiske bølgeledermoduser, som vi har funnet i dette materialet og håper å finne i andre, som reportere av interessant ny fysikk,” sa Basov.

---

---