Conduction de la lumière dans un métal : des guides d’ondes sont observés dans un semi-métal connu sous le nom de ZrSiSe. Crédit : Nicoletta Barolini, Université de Columbia
Une nouvelle recherche trouve des preuves de guidage d’ondes dans un matériau quantique unique. Ces résultats vont à l’encontre des attentes sur la façon dont les métaux conduisent la lumière et peuvent pousser l’imagerie au-delà des limites de diffraction optique.
Nous percevons les métaux comme brillants lorsque nous rencontrons des métaux dans notre vie de tous les jours. En effet, les matériaux métalliques courants sont réfléchissants aux longueurs d’onde de la lumière visible et feront donc rebondir la lumière qui les frappe. Bien que les métaux soient bien adaptés pour conduire l’électricité et la chaleur, ils ne sont généralement pas considérés comme un moyen de conduire la lumière.
Cependant, les scientifiques trouvent de plus en plus d’exemples qui remettent en question les attentes sur la façon dont les choses devraient se comporter dans le domaine en plein essor des matériaux quantiques. De nouvelles recherches décrivent un métal capable de conduire la lumière à travers lui. Mené par une équipe de chercheurs dirigée par Dmitri Basov, professeur Higgins de physique à
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>UniversitéColumbia[{“attribute=””>ColumbiaUniversityl’étude a été publiée dans Avancées scientifiques le 26 octobre. “Ces résultats défient nos expériences quotidiennes et nos conceptions communes”, a déclaré Basov.
“En utilisant des plasmons hyperboliques, nous pourrions résoudre des caractéristiques inférieures à 100 nanomètres en utilisant une lumière infrarouge qui est des centaines de fois plus longue.”
— Yinming Shao
Le travail a été dirigé par Yinming Shao, maintenant postdoctorant à Columbia qui a été transféré en tant que doctorant lorsque Basov a déménagé son laboratoire de l’Université de Californie à San Diego (UCSD) à New York en 2016. Tout en travaillant avec le groupe Basov, Shao a été explorer les propriétés optiques d’un matériau semi-métal connu sous le nom de ZrSiSe. En 2020 en Physique naturelleShao et ses collègues ont montré que ZrSiSe partage des similitudes électroniques avec
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>graphène[{“attribute=””>graphenele premier matériau dit de Dirac découvert en 2004. Cependant, ZrSiSe a amélioré les corrélations électroniques qui sont rares pour les semi-métaux de Dirac.
Alors que le graphène est un single,
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>atome[{“attribute=””>atom-fine couche de carbone, ZrSiSe est un cristal métallique tridimensionnel composé de couches qui se comportent différemment dans le plan et hors du plan. C’est une propriété connue sous le nom d’anisotropie.
“Nous voulons utiliser des modes de guides d’ondes optiques, comme nous l’avons trouvé dans ce matériau et espérons en trouver dans d’autres, en tant que rapporteurs d’une nouvelle physique intéressante.”
— Dmitri Basov
« C’est un peu comme un sandwich : une couche agit comme un métal tandis que la couche suivante agit comme un isolant », a expliqué Shao. « Lorsque cela se produit, la lumière commence à interagir de manière inhabituelle avec le métal à certaines fréquences. Au lieu de simplement rebondir, il peut voyager à l’intérieur du matériau selon un motif en zigzag, que nous appelons propagation hyperbolique.
Dans leurs travaux actuels, Shao et ses collaborateurs de Columbia et de l’UCSD ont observé un tel mouvement en zigzag de la lumière, appelé modes de guides d’ondes hyperboliques, à travers des échantillons de ZrSiSe d’épaisseurs variables. De tels guides d’ondes peuvent guider la lumière à travers un matériau. Ici, ils résultent de photons de lumière se mélangeant à des oscillations électroniques pour créer des quasi-particules hybrides appelées plasmons.
Bien que les conditions pour générer des plasmons capables de se propager de manière hyperbolique soient réunies dans de nombreux métaux stratifiés, c’est la gamme unique de niveaux d’énergie électronique, appelée structure de bande électronique, de ZrSiSe qui a permis à l’équipe de les observer dans ce matériau. Le soutien théorique pour aider à expliquer ces résultats expérimentaux est venu d’Andrey Rikhter dans le groupe de Michael Fogler à l’UCSD, Umberto De Giovannini et Angel Rubio à l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, et Raquel Queiroz et Andrew Millis à Columbia. (Rubio et Millis sont également affiliés au Flatiron Institute de la Simons Foundation.)
“Ces résultats défient nos expériences quotidiennes et nos conceptions communes.”
— Dmitri Basov
Les plasmons peuvent “agrandir” les caractéristiques d’un échantillon, permettant aux chercheurs de voir au-delà de la limite de diffraction des microscopes optiques, qui ne peuvent autrement résoudre les détails plus petits que la longueur d’onde de la lumière qu’ils utilisent. “En utilisant des plasmons hyperboliques, nous pourrions résoudre des caractéristiques inférieures à 100 nanomètres en utilisant une lumière infrarouge qui est des centaines de fois plus longue”, a déclaré Shao.
Shao a déclaré que ZrSiSe peut être pelé à différentes épaisseurs, ce qui en fait une option intéressante pour la recherche en nano-optique qui favorise les matériaux ultra-minces. Cependant, ce n’est probablement pas le seul matériau à avoir de la valeur – à partir de là, le groupe souhaite en explorer d’autres qui partagent des similitudes avec ZrSiSe mais pourraient avoir des propriétés de guidage d’ondes encore plus favorables. Cela pourrait aider les chercheurs à développer des puces optiques plus efficaces et de meilleures approches nano-optiques pour explorer des questions fondamentales sur les matériaux quantiques.
“Nous voulons utiliser des modes de guides d’ondes optiques, comme nous l’avons trouvé dans ce matériau et espérons en trouver dans d’autres, en tant que rapporteurs d’une nouvelle physique intéressante”, a déclaré Basov.
Référence : “Les plasmons infrarouges se propagent à travers un métal nodal hyperbolique” par Yinming Shao, Aaron J. Sternbach, Brian SY Kim, Andrey A. Richter, Xinyi Xu, Umberto De Giovannini, Ran Jing, Sang Hoon Chae, Zhiyuan Sun, Seng Huat Lee , Yanglin Zhu, Zhiqiang Mao, James C. Hone, Rachel Queiroz, Andrew J. Millis, P. James Schuck, Angel Rubio, Michael M. Fogler et Dmitri N. Basov, 26 octobre Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.add6169
Le travail a été soutenu par la bourse de recherche Vannevar Bush et le centre de recherche sur les frontières énergétiques financé par le département de l’énergie de Columbia sur les matériaux quantiques programmables, qui cherche à découvrir de nouveaux matériaux et outils pouvant révéler de nouveaux détails sur la physique fondamentale.
