Auf der Suche nach schwer fassbaren Quantenpartikeln? Probieren Sie ein schlechtes Metall aus, schlagen Forscher vor

Wie die meisten sie kennen, sind Metalle gute Stromleiter. Das liegt daran, dass sich die unzähligen Elektronen in einem Metall wie Gold oder Silber mehr oder weniger frei von einem Atom zum nächsten bewegen. Ihre Bewegung wurde nur durch gelegentliche Kollisionen mit Mängeln behindert.

Es gibt jedoch metallische Materialien, die mit unserem konventionellen Verständnis dafür sind, was es bedeutet, ein Metall zu sein. In sogenannten „schlechten Metallen“-einem technischen Begriff, erklärt Columbia Physicist Dmitri Basov-trafen Elektronen einen unerwarteten Widerstand: einander. Anstatt dass die Elektronen sich wie einzelne Kugeln verhalten, die herumhüpfen, korrelieren sie miteinander und verklumfen so, dass ihre Notwendigkeit, gemeinsam den Fluss eines elektrischen Stroms zu bewegen.

Schlechte Metalle mögen für schlechte elektrische Leiter sorgen, aber es stellt sich heraus, dass sie gute Quantenmaterialien herstellen. In Arbeiten, die am 13. Februar in der Zeitschrift veröffentlicht wurden WissenschaftBasovs Gruppe beobachtete unerwartet ungewöhnliche optische Eigenschaften im schlechten Metallmolybdänoxid -Dichlorid (MOOCL2).

Wie viele Materialien, mit denen Forscher in Columbia arbeiten, besteht MOOCL2 aus einer Reihe von Atom-dünnen Schichten verschiedener Elemente. Das Material ist auch anisotrop, was bedeutet, dass die Eigenschaften jeder Schicht abhängig von der Richtung, aus der das Material gemessen wird.

„Im Wesentlichen ist das Material ein Metall, wenn Sie versuchen, Elektronen in eine Richtung zu bewegen, aber ein Isolator, wenn Sie versuchen, sie in die andere zu bewegen“, sagte Andrew Millis, ein Physiker in Columbia und das Flatiron -Institut, der theoretische Einsichten in die experimentellen Beobachtungen in Coloradode und Swagata Acharya aus dem nationalen Erneuerungs -Energie -Labor in Coloradoado -Labor lieferte.

Aus dieser einzigartigen Direktionalität entstehen Quasitikel, die als hyperbolische Plasmonpolaritonen bekannt sind. Polaritonen sind eine breite Kategorie von Quasistartikeln, die sich bilden, wenn Lichtpakete, die als Photonen bezeichnet werden, mit einem Material interagieren. Über 70 einzigartige Arten waren Bisher beschriebenjeweils einzigartige hybride Eigenschaften. Plasmonen sind beispielsweise eine Art von Polariton, die auftritt, wenn Photonen mit Elektronen passen, wenn sie durch ein Metall kräuseln – eine Quanteneigenschaft, die als elektronische Schwingung bekannt ist.

Da sie sich mit der ultraklammenden Quantenwelt kombinieren, ermöglichen die verschiedenen Polaritonensorten Wissenschaftlern, Licht in Räume zu fokussieren, die kleiner als ihre Wellenlänge sind, jenseits der sogenannten Beugungsgrenze. Dies ist vielversprechend, um eine Reihe von optischen Technologien zu verkleinern, einschließlich der Erstellung neuer Arten von Superauflösungsmikroskopen, dem Verbinden von Quantenemittern und dem Aufbau kleinerer optischer Schaltungen. Hyperbolische Plasmonen, die sich durch ein Material in Mustern bewegen, die wie Lichthyperbolas geformt sind, und nicht in den konzentrischen Kreisen, die für andere Polaritonen charakteristisch sind, sind besonders gut für die Aufgabe geeignet.

Ein schlechtes Metall war nicht der erste Ort, an dem man nach diesen Quasipartikeln suchen würde, da sich die Elektronen dieser Metalle schlecht bewegen. Frank Ruta, Seas’24 und der erste Autor des aktuellen Papiers, hatte die frühen Tage seines Doktoranden verbracht. Jagd auf hyperbolische Plasmonen in Proben von Metallen mit besserer Leitfähigkeit. Andere Arten von Plasmonen tauchten regelmäßig in „guten“ Metallen wie Gold auf, aber die hyperbolischen Plasmonen, die in diesen Materialien erscheinen, erwies sich als flüchtig-schmerzlich interessant, aber zu kurzlebig, um bei aufstrebenden Technologien praktisch zu nutzen.

Aus der Literatur sah die Gruppe jedoch Hinweise darauf, dass MOOCL2 einzigartige optische Eigenschaften beherbergen könnte. Ruta begann, Proben unter dem Scraster des Basov Labs in der Nähe optischer Mikroskop (S-SNOM) zu platzieren, und das schlechte Metall, das mit hyperbolischen Plasmonen beleuchtet wurde.

Bemerkenswerterweise konnten sich die Quasitikel über mehrere Mikrometer der Probe bei Raumtemperatur und sichtbare und nahezu Infrarotlichtfrequenzen bewegen. Solche Attribute könnten diese hyperbolischen Plasmonen bei Technologien wie Telekommunikation und Nanofabrika besonders wertvoll machen, die bei diesen kürzeren Wellenlängen funktionieren.

Optische Messungen legen nahe, dass diese guten Plasmonen mit der verwendeten Energie zusammenhängen: Wenn sie mit niedrigerer Energie, höherer Wellenlänge untersucht werden, springen die Elektronen in MOOCL2 wie erwartet um und streuen; Mit zunehmender Energie verschwindet diese Streuung. Experimentelle Mitarbeiter von Berkeley unter Verwendung einer Technik namens Angle-gelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) boten eine mögliche physikalische Erklärung für die Streuung: Ladungsdichtewellen. Millis vermutet, dass es sich um ein Merkmal der besonderen Physik handelt, die sich aus den einzigartigen Elektronenelektronen-Wechselwirkungen in schlechten Metallen ergibt.

Obwohl noch vollständige theoretische Erklärungen kommen, ist die Replikation bereits im Gange: Forscher des italienischen Instituts für Technologie in Mailand unabhängig Evidenz gefunden von hyperbolischen Plasmonpolaritonen in MOOCL2 Ende letzten Jahres. Die Ergebnisse erweitern die experimentellen Optionen für diejenigen, die nach Polaritonen jagen. „Dieses Papier verändert unsere Intuitionen darüber, welche Materialien zu sehen sind“, bemerkte Ruta.

Schlechte Metalle sind doch nicht so schlimm.