Das alte „Kagome“-Muster der traditionellen japanischen Korbflechtkunst, das in vielen handgefertigten Kreationen zu finden ist, zeichnet sich durch ein symmetrisches Muster aus ineinander verschlungenen Dreiecken mit gemeinsamen Ecken aus. In der Quantenphysik wurde der Name Kagome von Wissenschaftlern übernommen, um eine Klasse von Materialien zu beschreiben, deren Atomstruktur diesem charakteristischen Gittermuster sehr ähnelt.
Seit der Entdeckung der neuesten Familie von Kagome-Metallen im Jahr 2019 arbeiten Physiker daran, ihre Eigenschaften und potenziellen Anwendungen besser zu verstehen. Eine neue Studie unter der Leitung von Guangxin Ni, Assistenzprofessor für Physik an der Florida State University, konzentriert sich auf die Frage, wie ein bestimmtes Kagome-Metall mit Licht interagiert, um sogenannte Plasmon-Polaritonen zu erzeugen – nanoskalige, verbundene Wellen von Elektronen und elektromagnetischen Feldern in einem Material, die typischerweise durch Licht oder andere elektromagnetische Wellen verursacht werden. Die Arbeit wurde veröffentlicht In Naturkommunikation.
Frühere Forschungen haben sich mit Plasmonen in normalen Metallen beschäftigt, aber nicht so sehr mit Kagome-Metallen, bei denen das Verhalten der Elektronen komplexer ist. In dieser Studie untersuchten die FSU-Forscher das Metall Cäsium-Vanadium-Antimonid, auch bekannt unter der chemischen Formel CsV3Sb5, um die Eigenschaften besser zu verstehen, die es zu einem vielversprechenden Kandidaten für präzisere und effizientere Photonik-Technologien machen.
Die Forscher konnten erstmals die Existenz von Plasmonen in CsV3Sb5 nachweisen und fanden heraus, dass die Wellenlänge dieser Plasmonen von der Dicke des Metalls abhängt.
Sie stellten außerdem fest, dass sich die Plasmonen anders verhielten, wenn man die Frequenz eines Lasers änderte, der auf das Metall gerichtet war. Sie nahmen eine Form an, die als „hyperbolische Massenplasmonen“ bekannt ist und sich durch das Material ausbreitete, anstatt auf der Oberfläche zu bleiben. Infolgedessen verloren diese Wellen weniger Energie als zuvor, was bedeutete, dass sie sich effektiver fortbewegen konnten.
„Hyperbolische Plasmonpolaritonen sind in natürlichen Metallen selten, aber unsere Forschung zeigt, wie Elektronenwechselwirkungen diese einzigartigen Wellen im Nanomaßstab erzeugen können“, sagte Ni. „Dieser Durchbruch ist der Schlüssel für die Weiterentwicklung von Technologien in der Nanooptik und Nanophotonik.“
Um zu untersuchen, wie Plasmonen mit dem Metall interagieren, züchteten die Forscher Einzelkristalle aus CsV3Sb5 und platzierten dann dünne Flocken des Materials auf speziell präparierten Goldoberflächen. Mithilfe von Lasern zur Durchführung von Infrarot-Nanobildgebung beobachteten sie, wie sich die Plasmonpolaritonen des Metalls – Elektronenwellen, die mit elektromagnetischen Feldern interagieren – auf interessante Weise veränderten.
„Das Interessante an CsV3Sb5 ist seine Wechselwirkung mit Licht in sehr kleinem Maßstab, was als Nanooptik bezeichnet wird“, sagte der Hauptautor Hossein Shiravi, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am National High Magnetic Field Laboratory mit Sitz in der FSU. „Wir haben festgestellt, dass die korrelierten elektrischen Eigenschaften des Metalls über einen weiten Bereich von Infrarotlichtfrequenzen die Bildung hyperbolischer Massenplasmonen auslösen.“
Dieses hyperbolische Muster bedeutet, dass weniger Energie verloren geht. Die Ergebnisse des Teams liefern neue Informationen über das Verhalten des Kagome-Metalls CsV3Sb5 unter verschiedenen Bedingungen und liefern den Forschern ein genaueres Bild seiner Eigenschaften und potenziellen Anwendungen in der Praxis.
„Hyperbolische Plasmonpolaritonen können eine Reihe erstaunlicher nanooptischer Eigenschaften und Fähigkeiten bieten“, sagte Ni. „Sie haben das Potenzial, optische Kommunikationssysteme zu verbessern, eine über aktuelle Grenzen hinausgehende, superklare Bildgebung zu ermöglichen und photonische Geräte besser funktionieren zu lassen. Sie könnten auch nützlich sein, um Dinge wie Umweltveränderungen und medizinische Diagnostik zu erfassen, da sie stark auf ihre Umgebung reagieren. Diese Eigenschaften machen sie zum Schlüssel für die Weiterentwicklung zukünftiger optischer und photonischer Technologien.“
Das Metall CsV3Sb5 war aufgrund seiner ungewöhnlichen elektronischen und optischen Eigenschaften eine vielversprechende Wahl für die Plasmonenforschung. So kann es beispielsweise Plasmonenwellen in eine Richtung treiben, um nur eine zu nennen. Jüngste Fortschritte in der Bildgebungstechnologie auf Nanoebene halfen den Forschern, ihre Arbeit abzuschließen.
„Elektronische Verluste, die typischerweise in konventionellen Metallen auftreten, haben bisher die Bemühungen zur Beobachtung exotischer Licht-Materie-Kopplungseffekte, einschließlich hyperbolischer Polaritonen, erschwert“, sagte Ni. „Das ist ein Teil dessen, was dies zu einem aufregenden Durchbruch macht. Es wird interessant sein, nanooptische Phänomene in unkonventionellen Metallen weiter zu erforschen, da sie das Potenzial haben, zu zukünftigen Technologien beizutragen.“
FSU-Student Aakash Gupta war ebenfalls Co-Autor dieser Studie. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Forschern der University of California Santa Barbara, des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, der Tsinghua University in China sowie der Universitäten Stuttgart, Leipzig und Leipzig und des Instituts für Ionenstrahlphysik und Materialforschung durchgeführt.
Mehr Informationen:
H. Shiravi et al., Plasmonen im Kagome-Metall CsV3Sb5, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49723-x