Schemat antymonku cezu-wanadu metalu Kagome przedstawiający fale plazmonowe przemieszczające się przez materiał. Źródło: Guangxin Ni
Badanie skupione na antymonku cezu-wanadu, metalu Kagome, wykazało jego potencjał w ulepszaniu nanooptyki poprzez generowanie unikalnych polarytonów plazmonowych. Odkrycia te mogą ulepszyć technologie komunikacji optycznej i wykrywania.
W tradycyjnym japońskim tkaniu koszy, starożytny wzór „Kagome”, charakteryzujący się symetrycznym układem splecionych trójkątów ze wspólnymi narożnikami, zdobi wiele ręcznie wykonanych przedmiotów. Podobnie w fizyce kwantowej naukowcy używają terminu „Kagome” w odniesieniu do kategorii materiałów, których struktura atomowa naśladuje ten unikalny wzór sieci.
Od 2019 roku, kiedy odkryto najnowszą rodzinę metali Kagome, fizycy pracują nad lepszym zrozumieniem ich właściwości i potencjalnych zastosowań. Nowe badanie prowadzone pod kierunkiem Uniwersytet Stanowy Florydy (FSU) Adiunkt fizyki Guangxin Ni skupia się na tym, jak konkretny metal Kagome oddziałuje ze światłem, tworząc tak zwane polarytony plazmonowe — nanoskala-powiązane fale elektronów i pól elektromagnetycznych w materiale, zwykle powodowane przez światło lub inne fale elektromagnetyczne. Praca została niedawno opublikowana w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Właściwości i potencjał fotoniczny CsV3Sb5
W poprzednich badaniach badano plazmony w zwykłych metalach, ale w mniejszym stopniu w metalach Kagome, gdzie zachowanie elektronów jest bardziej złożone. W ramach tego badania badacze z FSU zbadali antymonek metalu cezu-wanadu, znany również ze wzoru chemicznego CsV3Sb5, aby lepiej zrozumieć właściwości, które czynią go obiecującym kandydatem w zakresie bardziej precyzyjnych i wydajnych technologii fotonicznych.
Naukowcy po raz pierwszy zidentyfikowali istnienie plazmonów w CsV3Sb5 i odkryli, że długość fali tych plazmonów zależy od grubości metalu.
Absolwent Hossein Shiravi, adiunkt Guangxin Ni i badacz ze stopniem doktora Songbin Cui. Źródło: Devin Bittner/FSU Sztuka i Nauka
Postęp w nanooptyce za pomocą hiperbolicznych polarytonów plazmonowych
Odkryli również, że zmiana częstotliwości lasera świecącego na metal powoduje, że plazmony zachowują się inaczej, przekształcając je w formę znaną jako „hiperboliczne plazmony masowe”, które rozprzestrzeniają się w materiale, a nie pozostają ograniczone do powierzchni. W rezultacie fale te straciły mniej energii niż wcześniej, co oznacza, że mogły przemieszczać się efektywniej.
„Hiperboliczne polarytony plazmonowe są rzadkie w metalach naturalnych, ale nasze badania pokazują, w jaki sposób interakcje elektronów mogą tworzyć te unikalne fale w nanoskali” – powiedział Ni. „Ten przełom ma kluczowe znaczenie dla rozwoju technologii nanooptyki i nanofotoniki”.
Metody badawcze i obserwacje w nanoobrazowaniu
Aby zbadać, w jaki sposób plazmony oddziałują z metalem, badacze wyhodowali monokryształy CsV3Sb5, a następnie umieścili cienkie płatki materiału na specjalnie przygotowanych złotych powierzchniach. Wykorzystując lasery do skaningowego nanoobrazowania w podczerwieni, zaobserwowali, jak polarytony plazmonowe metalu – fale elektronów oddziałujące z polami elektromagnetycznymi – zmieniają się w interesujący sposób.
„To, co sprawia, że CsV3Sb5 jest interesujący, to sposób, w jaki oddziałuje on ze światłem na bardzo małą skalę, co jest znane jako nanooptyka” – powiedział główny autor Hossein Shiravi, absolwent asystent naukowy w Narodowym Laboratorium Wysokich Pola Magnetycznego z siedzibą w FSU. „Odkryliśmy, że w szerokim zakresie częstotliwości światła podczerwonego skorelowane właściwości elektryczne metalu powodują powstawanie hiperbolicznych plazmonów masowych”.
Ten hiperboliczny wzór oznacza mniejsze straty energii. Odkrycia zespołu ujawniają nowe informacje na temat sposobu, w jaki metal Kagome CsV3Sb5 zachowuje się w różnych warunkach, zapewniając naukowcom dokładniejszy obraz jego właściwości i potencjalnych zastosowań w świecie rzeczywistym.
Potencjalne zastosowania i przyszłość metali Kagome
„Hiperboliczne polarytony plazmonowe mogą oferować szereg niesamowitych cech i możliwości nanooptycznych” – powiedział Ni. „Mają potencjał, aby ulepszyć systemy komunikacji optycznej, umożliwić niezwykle wyraźne obrazowanie wykraczające poza obecne ograniczenia i sprawić, że urządzenia fotoniczne będą działać lepiej. Mogą być również przydatne do wykrywania zmian środowiskowych i diagnostyki medycznej, ponieważ silnie reagują na otoczenie. Te cechy czynią je kluczowymi dla rozwoju przyszłych technologii optycznych i fotonicznych.”
Metal CsV3Sb5 był obiecującym wyborem do badań nad plazmonami ze względu na swoje niezwykłe właściwości elektroniczne i optyczne, takie jak potencjalna zdolność do wymuszania ruchu fal plazmonów w jednym kierunku, żeby wymienić tylko jeden. Najnowsze postępy w technologii obrazowania na poziomie nano pomogły naukowcom ukończyć pracę.
„Straty elektronowe zwykle spotykane w metalach konwencjonalnych utrudniały wcześniej obserwację egzotycznych efektów sprzęgania światła z materią, w tym polarytonów hiperbolicznych” – powiedział Ni. „To część tego, co czyni ten ekscytujący przełom. Interesujące będzie dalsze badanie zjawisk nanooptycznych w metalach niekonwencjonalnych ze względu na ich potencjał wniesienia wkładu w przyszłe technologie”.
Odniesienie: „Plasmons in the Kagome metal CsV3Sb5” H. Shiravi, A. Gupta, BR Ortiz, S. Cui, B. Yu, E. Uykur, AA Tsirlin, SD Wilson, Z. Sun i GX Ni, 25 czerwca 2024 r. , Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49723-x
Absolwent FSU, Aakash Gupta, był także współautorem tego badania. Badanie przeprowadzono we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, Narodowego Laboratorium Oak Ridge w Tennessee, Uniwersytetu Tsinghua w Chinach, niemieckiego Uniwersytetu w Stuttgarcie, Uniwersytetu w Lipsku oraz Instytutu Fizyki Wiązek Jonowych i Badań Materiałowych. Badania te są finansowane w FSU ze środków Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych i Narodowej Fundacji Nauki.
